VOCI E DOMANDE DELL’ASTROFISICA

Stelle di neutroni, là dove gli atomi collassano

Piccole come asteroidi, ma in grado di dare luogo alle più potenti esplosioni cosmiche conosciute. La densità all'interno di una stella di neutroni è tale che una zolletta di zucchero avrebbe una massa pari a quella di tutta l'umanità. Quando sono in coppia in sistemi binari emettono intense onde gravitazionali e, al momento della coalescenza, potrebbero dare origine ai Grb di ’tipo corto’

Rappresentazione artistica di una stella di neutroni, con evidenziate le linee di campo magnetico. Crediti: Casey Reed / Penn State University

Le stelle di neutroni possono essere considerate dei relitti stellari. Sono infatti ciò che rimane di alcune stelle massive in seguito al collasso del loro nucleo e all’esplosione come supernove. Sebbene i numeri siano soggetti a qualche incertezza (e possano cambiare alla luce di nuove simulazioni al computer), si ritiene che il collasso gravitazionale del nucleo di stelle con masse tra le 8-10 e le 20-30 volte quella del Sole dia origine a stelle di neutroni, mentre stelle con masse superiori alle 20-30 masse solari formino buchi neri. Le stelle con masse inferiori a 8-10 volte quella del Sole danno invece origine alle nane bianche.

Le stelle di neutroni sono oggetti estremamente densi e compatti. Racchiudono una massa pari a poco più di quella del Sole (tipicamente 1.4 masse solari, la cosiddetta “massa di Chandrasekhar”) in una regione di soli 10-20 km circa di raggio (pari, all’incirca, alle dimensioni di una città). La densità all’interno di una stella di neutroni raggiunge dunque valori enormemente più elevati rispetto a quelli della materia nucleare ordinaria. A queste densità, la pressione all’interno della stella è tale che la materia collassa anche a livello atomico. Gli elettroni, che, in condizioni normali formano una “nube” attorno ai nuclei degli atomi (formati da protoni e neutroni), arrivano a fondersi con essi, formando neutroni. Da qui il nome ’stella di neutroni’.

Le condizioni estreme alle quali si trova la materia portano le stelle di neutroni ad avere un campo gravitazionale e un campo magnetico estremamente intensi. Alcune stelle di neutroni (le cosiddette pulsar) emettono radiazione pulsata che permette di misurare con precisione la rotazione della stella attorno al proprio asse (con periodi di rotazione che variano da decine di secondi a millesimi di secondo).

Le stelle di neutroni costituiscono dunque un eccellente laboratorio naturale per lo studio della materia in condizioni estreme che non sarebbero in alcun modo riproducibili sulla Terra.

Studi in corso e domande aperte

Le stelle di neutroni sono oggetti di grande interesse astrofisico. Diverse sono le questioni aperte legate al loro studio spaziando dai diversi campi dell’astronomia fino alla fisica di base.

Un ’uno’ seguito da diciassette zeri, ovvero 10 elevato alla 17esima potenza kg su metro cubo: è la densità tipica di materia all’interno di una stella di neutroni. A queste densità, una quantità di materia grande quanto una zolletta di zucchero avrebbe una massa pari a quella di tutta l’umanità

Una di queste riguarda quale sia la massima massa che una stella di neutroni può sostenere senza collassare a buco nero (il limite teorico è di tre volte la massa del Sole). La misura della massa è resa più semplice per quelle stelle di neutroni che si trovano in sistemi binari. Studi effettuati finora hanno portato alla misura di masse di poco superiori a due volte quella del Sole. Sempre restando in tema di sistemi binari, si ritiene che sistemi costituiti da due stelle di neutroni (o da una stella di neutroni ed un buco nero) siano forti emettitori di onde gravitazionali e, al momento della loro coalescenza, diano origine ai gamma-ray bursts (Grb) di ’tipo corto’ (quei Grb con durata inferiore a circa due secondi) e alle cosiddette macronove (dette anche kilonove), una sorta di supernove in miniatura la cui esistenza (se confermata) spiegherebbe l’origine degli elementi più pesanti del ferro nell’Universo.

Le stelle di neutroni più estreme in termini di campi magnetici e rotazione attorno al proprio asse (le cosiddette magnetar) potrebbero costituire il motore centrale dei Grb di tipo lungo e delle più luminose supernove. Se confermato, questo scenario rimarcherebbe la natura estrema delle stelle di neutroni: stelle piccole come asteroidi in grado di energizzare le più potenti esplosioni cosmiche conosciute.

Il coinvolgimento dell’Istituto nazionale di astrofisica

Il coinvolgimento dell’Inaf nello studio delle stelle di neutroni è molto ampio, sia in termini di ricercatori che di sedi. L’aspetto multidisciplinare delle tematiche di ricerca trattate comporta un coinvolgimento trasversale dei vari gruppi di ricerca. Le comunità maggiormente interessate, sia a livello teorico che osservativo, sono quella delle alte energie, i radioastronomi e la comunità multi-messenger per quanto riguarda la ricerca di controparti elettromagnetiche di segnali gravitazionali rivelati dagli interferometri Ligo e Virgo.


L’autore: Paolo D’Avanzo è ricercatore Inaf all’Osservatorio astronomico di Brera

Su Media Inaf potrai trovare, mano a mano che verranno pubblicate, tutte le schede della rubrica dedicata a Voci e domande dell’astrofisica, scritte dalle ricercatrici e dai ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica