NEI PRIMI DIECI SECONDI DI VITA D’UNA STELLA DI NEUTRONI

La dinamo che forgia le magnetar

All’origine dell’enorme campo magnetico delle magnetar potrebbe esserci l’elevata velocità di rotazione della stella di neutroni appena collassata, che renderebbe più efficiente l’effetto dinamo. Lo propone uno studio pubblicato su Science Advances. Media Inaf ha intervistato il primo autore, Raphaël Raynaud del Cea Saclay di Parigi

     13/03/2020
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Rappresentazione artistica della magnetar nell’ammasso Westerlund 1. Crediti: Eso / L. Calçada

Le magnetar (termine che proviene dalla contrazione dei termini inglesi magnetic star) sono stelle di neutroni particolari, dotate dei più potenti campi magnetici osservati nell’universo, fino a mille volte più forti di quelli delle tipiche stelle di neutroni – oggetti compatti con una massa sino a due volte quella del Sole contenuta entro un raggio di circa 12 chilometri.

Sebbene il meccanismo di formazione delle stelle di neutroni sia ormai abbastanza chiaro e l’esistenza dei loro campi magnetici consolidata, meno chiaro è cosa generi i campi magnetici ultra forti delle magnetar. Alcune teorie ipotizzano che possano essere ereditati dalle le loro stelle progenitrici, il che significa che la loro forza sarebbe interamente determinata dalla magnetizzazione del nucleo di ferro della stella prima del collasso. Tuttavia, questa ipotesi non trova ampio consenso. La principale obiezione è che campi magnetici così forti nelle stelle progenitrici dovrebbero rallentare la rotazione del loro nucleo stellare, e di conseguenza la rotazione delle stelle di neutroni che da esse provengono. Una rotazione lenta che non spiegherebbe le enormi energie delle esplosioni che si manifestano durante la loro formazione, o dei lampi di raggi gamma di lunga durata emessi durante il processo, che invece solo stelle in rapida rotazione possono creare.

Un team di scienziati del Cea Saclay francese, dell’Institut de Physique du Globe di Parigi e del Max Planck Institute for Astrophysics tedesco ha sviluppato un nuovo e dettagliato modello, pubblicato oggi su Science Advances, che potrebbe spiegare la genesi dei giganteschi campi magnetici che caratterizzano questi magneti cosmici attraverso l’amplificazione di deboli campi preesistenti quando stelle di neutroni in rapida rotazione si formano dal collasso delle stelle massicce progenitrici. Per conoscere i dettagli della ricerca, Media Inaf ha contattato il primo autore dello studio, Raphaël Raynaud, ricercatore postdoc al Cea Saclay di Parigi.

Qual è il meccanismo che proponete per spiegare la genesi dei potenti campi magnetici delle magnetar?

«Abbiamo preso in considerazione un nuovo canale per la formazione delle magnetar nelle supernove a collasso nucleare, esplosioni che segnano la morte di  stelle massicce. Proponiamo che i forti campi magnetici di questi oggetti siano il risultato di un processo di amplificazione noto come “effetto dinamo”. Un meccanismo che ritroviamo anche nel nucleo esterno della Terra e che genera il campo magnetico terrestre. Nel caso delle stelle di neutroni, nei primi secondi successivi al collasso del nucleo la neonata stella di neutroni si raffredda emettendo neutrini. Questo raffreddamento innesca forti flussi convettivi interni di massa, simili al gorgoglio dell’acqua bollente in una pentola sul fuoco. Tali movimenti violenti della materia stellare potrebbero portare al potenziamento di campi magnetici deboli preesistenti».

Cosa suggerisce in particolare il modello?

«Le nostre simulazioni suggeriscono che la rotazione svolga un ruolo chiave per spiegare la formazione delle magnetar. Contrariamente alle ipotesi che presuppongono un “campo magnetico fossile”, il nostro scenario è indipendente dalla magnetizzazione del nucleo del progenitore stellare prima del collasso».

Immagini in 3D delle linee di campo magnetico magnetico nelle zone convettive all’interno di una stella di neutroni appena nata. A sinistra: un forte effetto dinamo per stelle con periodi di rotazione di pochi millisecondi. A destra: un campo magnetico fino a dieci volte più debole per stelle di neutroni con periodo di rotazione più lento. Crediti: Cea Sacley, R.  Raynaud et al., 2020, Science Advances

In quale fase avverrebbe questo meccanismo di amplificazione del campo magnetico?

«L’azione della dinamo, che descrive l’amplificazione di un campo magnetico da parte del flusso turbolento di un fluido conduttore, si verificherebbe nei secondi immediatamente successivi al collasso del nucleo di una stella massiccia. Le stime attuali prevedono che la fase convettiva potrebbe durare circa 10 secondi».

Che tipo di simulazioni avete utilizzato? 

«Abbiamo eseguito simulazioni numeriche in 3D dei moti convettivi rotazionali in stelle di neutroni appena formate. La convezione è una forma comune di trasferimento di calore nei fluidi, di solito si verifica quando un fluido caldo si trova al di sotto di un fluido freddo (e quindi più denso), come quando sentiamo l’aria calda salire verso l’alto. Questo meccanismo universale assicura il raffreddamento della stella di neutroni appena nata e crea al suo interno flussi turbolenti. Ciò che abbiamo fatto è stato simulare questi flussi con un nuovo modello computerizzato che tiene conto delle specificità della materia della stella di neutroni».

E questa nuova teoria di formazione concilierebbe l’enorme campo magnetico che queste stelle possiedono e la rapida rotazione?

«Sì, anche se non è direttamente responsabile della turbolenza all’interno della protostella di neutroni, la rotazione influirà effettivamente sui flussi convettivi. In questo senso, potrebbe avere un’influenza sul processo della dinamo e sulla saturazione dell’instabilità (cioè quando il campo magnetico smette di crescere e raggiunge una configurazione di equilibrio). Abbiamo scoperto che il campo magnetico raggiunge un’intensità molto più forte, compatibile con le proprietà delle magnetar, quando la rotazione inizia a modificare l’equilibrio di forze responsabili della saturazione – in genere, per periodi di rotazione di millisecondi».
 
Come potrebbe questo scenario spiegare le forti esplosioni che accompagnano la formazione di queste stelle magnetiche?

«Mettendo in relazione la velocità di rotazione della protostella di neutroni e l’intensità del suo campo magnetico, il nostro studio ha interessanti implicazioni riguardo a uno scenario di esplosione noto come “millisecond magnetar“. In questo scenario, si pensa che l’energia di rotazione di una magnetar a rotazione rapida possa essere il serbatoio di energia aggiuntivo che c’è dietro le esplosioni più potenti e luminose di stelle massicce. Esercitando una coppia frenante, un forte campo magnetico farà rallentare la protostella di neutroni. In questo modo, parte della sua energia di rotazione iniziale potrebbe essere trasferita all’esplosione. I nostri risultati forniscono ora un supporto teorico a questo promettente scenario di esplosione».

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