COSÌ È UN SISTEMA BINARIO SU DIECI

Asimmetrie rivelatrici fra stelle di neutroni

La fusione di due stelle di neutroni con massa significativamente diversa – come le due compagne del sistema binario Psr J1913+1102, il più asimmetrico a oggi noto – può essere accompagnata da fenomeni di distruzione mareale e da un’intensa emissione elettromagnetica. È quello che si è osservato per l’evento Gw 170817. Ne parla su Nature uno studio guidato dalla University of East Anglia

     08/07/2020
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Impressione d’artista della pulsar Psr J1913+1102. Crediti: Arecibo Observatory/University of Central Florida/William Gonzalez/Andy Torres

Studiare le stelle di neutroni in collisione potrebbe aiutare a far luce su molti misteri irrisolti dell’universo e la sua espansione. E un sistema di due stelle di neutroni destinate a entrare in collisione “a breve” – parliamo di mezzo miliardo di anni – è descritto oggi su Nature da un team internazionale d’astrofisici guidato dalla University of East Anglia (Regno Unito). Si tratta di un sistema raro: una delle due stelle di neutroni è una pulsar con una massa di circa il 27 per cento superiore a quella della stella compagna (1,62 masse solari la prima, 1,27 la seconda) – quanto basta per renderlo il sistema binario di stelle di neutroni più asimmetrico che si conosca. Una caratteristica, questa, con importanti implicazioni fisiche.

Ma facciamo un passo indietro. Le stelle di neutroni si formano durante le esplosioni di supernova. Sono le stelle più piccole e dense dell’universo: la loro massa è pari a centinaia di migliaia di volte quella della Terra racchiusa in una sfera delle dimensioni di una città. Le pulsar sono stelle di neutroni magnetizzate e in rapida rotazione che brillano nello spazio profondo come “fari cosmici”, emettendo onde radio altamente concentrate dai loro poli magnetici. La pulsar descritta oggi su Nature – nome in codice Psr J1913+1102, è stata scoperta nel 2016 con il radiotelescopio di Arecibo – fa parte, appunto, di un sistema stellare binario, questo significa che la sua orbita è strettamente legata a quella di un’altra stella di neutroni gemella.

L’asimmetria spinta del sistema, unita al fatto che le due stelle sono destinate a scontrarsi e a rilasciare grandi quantità di energia sotto forma di onde gravitazionali e luce, permetterà secondo gli autori dello studio uscito su Nature importanti passi avanti nella comprensione di misteri irrisolti nell’astrofisica, inclusa una determinazione più accurata della costante di Hubble.

«La fusione di due stelle di neutroni è stata rivelata la prima volta nel 2017 dagli scienziati di Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)», ricorda Robert Ferdman, ricercatore alla School of Physics della Uea e primo autore dello studio, «Questa fusione ha causato increspature delle onde gravitazionali attraverso il tessuto dello spazio-tempo, come previsto da Albert Einstein oltre un secolo fa». Il forte segnale gravitazionale prodotto è conosciuto come Gw 170817 ed è stato osservato anche con telescopi tradizionali da osservatori nello spazio e sulla Terra, che ne hanno identificato l’origine in una galassia lontana, a 130 milioni di anni luce dalla Via Lattea. «Confermò che il fenomeno dei lampi di raggi gamma brevi fosse dovuto alla fusione di due stelle di neutroni», continua Ferdman, «e ora si ritiene che il processo produca la maggior parte degli elementi pesanti presenti nell’universo, come l’oro».

La quantità di energia rilasciata nelle poche frazioni di secondo durante le quali le due stelle di neutroni si fondono è enorme, decine di volte superiore a quella emessa da tutte le stelle dell’universo. L’evento di fusione Gw 170817 non è stato inaspettato in sé, ma lo sono stati l’enorme quantità di materia espulsa dalla fusione e la sua luminosità. Ed è per questo che l’asimmetria del sistema binario Psr J1913+1102 sta riscuotendo tanto interesse.

«La maggior parte delle teorie su questo evento», spiega infatti Ferdman a proposito di fusioni come quella all’origine di Gw 170817, «ipotizzano che le due stelle di un sistema binario abbiano masse molto simili. La nostra scoperta modifica questi presupposti. Ora conosciamo un sistema binario formato da due stelle di neutroni con masse molto diverse. Queste stelle si scontreranno e si fonderanno in circa 470 milioni di anni– un intervallo che può sembrare lungo, ma è solo un piccola frazione dell’età dell’universo. Poiché una stella di neutroni è significativamente più grande dell’altra, la sua influenza gravitazionale distorcerà la forma della stella compagna, sottraendole grandi quantità di materia appena prima che avvenga effettivamente la fusione e, potenzialmente, distruggendola del tutto»

«Questa distruzione mareale», prosegue Ferdman, «espelle una quantità di materiale caldo maggiore di quella che ci si attenderebbe da sistemi binari con stelle di massa uguale, generando di conseguenza un’emissione più potente. Sebbene il segnale Gw 170817 possa essere spiegato da altre teorie, è molto plausibile che tale energia sia stata prodotta da un sistema di stelle di neutroni con masse significativamente diverse, simile dunque al sistema Psr J1913+1102. Fatto forse ancora più importante, ciò implica la presenza nell’universo di molti più sistemi binari come questo – più di uno ogni dieci coppie di stelle binarie di neutroni».

«Questi eventi di distruzione consentirebbero agli astrofisici di ottenere nuovi e importanti indizi sulla materia esotica di cui sono fatti questi oggetti estremi e densi», aggiunge Paulo Freire del Max Planck Institute for Radio Astronomy di Bonn, in Germania, co-autore dello studio, «Di cosa siano composte le stelle di neutroni resta ancora un mistero, la loro composizione è così densa che gli scienziati non sanno ancora di cosa sia fatta realmente. Sono densità molto al di là di quelle che possiamo riprodurre nei laboratori terrestri.»

La distruzione mareale della stella di neutroni di massa inferiore aumenterebbe anche la luminosità del materiale espulso dalla fusione. Ciò significa che, ai rilevatori di onde gravitazionali come lo statunitense Ligo e l’europeo Virgo, anche i telescopi convenzionali potranno osservarlo. «Questo consentirebbe una misurazione completamente indipendente della costante di Hubble – il tasso di espansione dell’universo. I due metodi principali per farlo offrono attualmente risultati in contrasto tra loro, dunque un terzo metodo sarebbe cruciale per mettere fine alla situazione di stallo e comprendere più in dettaglio come sta evolvendo l’universo», conclude Ferdman.

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