È LA PIÙ MASSICCIA MAI OSSERVATA FINORA

Psr J0952-0607, una vedova nera da record

Secondo un nuovo studio, Psr J0952-0607 – una stella di neutroni scoperta nel 2017 all’interno di un sistema black widow pulsar distante 3mila anni luce dalla Terra – sarebbe una trottola spaziale da record: la pulsar al millisecondo a più rapida rotazione conosciuta nel disco della nostra galassia e la più massiccia che sia mai stata osservata fino ad oggi. Tutti i dettagli su The ApJ Letters

     27/07/2022
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Illustrazione artistica di una pulsar “vedova nera”. Crediti: Nasa Goddard Space Flight Center

Compie 707 giri al secondo, il che ne fa la stella di neutroni a più rapida rotazione conosciuta nel disco della nostra galassia, la Via Lattea. Ma quel che più ha stupito il team di scienziati che l’ha osservata dal 2016 a oggi è la sua massa, un record per questo tipo di oggetti celesti: 2,35 volte quella del Sole, il che la rende la più massiccia osservata finora. Stiamo parlando di Psr J0952-0607, una pulsar al millisecondo distante circa 3mila anni luce dalla Terra in direzione della costellazione del Sestante.

Scoperta nel 2017 da Bassa et al utilizzando il radiotelescopio paneuropeo Low Frequency Array (Lofar) di Astron, Psr J0952-0607 è una pulsar “vedova nera” (black widow in inglese), nome con cui è conosciuta una nota specie di ragni le cui femmine si cibano del compagno: in analogia con questi aracnidi, Psr J0952-0607 consuma lentamente la massa della stella compagna che le orbita attorno fino alla sua completa dissoluzione; un processo, questo, che va sotto il nome di ablazione.

La misurazione della massa da record di Psr J0952-0607 è stata possibile grazie all’estrema sensibilità del telescopio Keck I di 10 metri di diametro del Keck Observatory di Maunakea, alle Hawaii, che è stato in grado di registrare lo spettro della debole luce visibile della stella compagna del sistema binario, ora ridotta alle dimensioni di un grande pianeta gassoso – circa 20 volte la massa di Giove.

Nel sistema, la stella compagna donatrice è distorta dalla massa della stella di neutroni e in rotazione sincrona o in blocco mareale (in inglese tidal locking) con essa come lo è la Luna con la Terra – motivo per cui vediamo sempre la stessa faccia del nostro satellite. Il lato rivolto verso la stella di neutroni viene riscaldato a temperature di circa 6mila gradi Celsius, rendendola abbastanza luminosa da poter essere vista con un grande telescopio.

Roger Romani, professore di fisica alla Stanford University (Usa) e il suo team di ricerca hanno puntato il telescopio Keck I su Psr J0952-0607 in sei occasioni negli ultimi quattro anni, osservandone ogni volta, con il Low Resolution Imaging Spectrometer montato sul telescopio, la debole luminosità in punti specifici della sua orbita di 6,4 ore attorno alla pulsar. Confrontando lo spettro così ottenuto con quelli di stelle simili al Sole, gli scienziati sono stati in grado di misurare la velocità orbitale della stella e di calcolare la massa della stella di neutroni partner: 5×1030 chilogrammi (5 seguito da 30 zeri) – corrispondenti, come anticipato, a 2,35 volte la massa della nostra stella: secondo i ricercatori, un valore vicino al limite superiore di massa raggiungibile da questi oggetti.

Le pulsar  sono stelle di neutroni in rapida rotazione che originano dai nuclei collassati di stelle massicce giunte a fine vita. La loro elevata densità (1 centimetro cubo della loro materia pesa oltre 500mila tonnellate) e la rapida rotazione (come Psr J0952-0607, alcune ruotano diverse centinaia di volte in un secondo) ne fanno un laboratorio ideale per studiarne la fisica e comprendere lo stato quantistico della materia di cui sono fatti. Nel caso di Psr J0952-0607, vista la massa della pulsar, probabilmente una zuppa di neutroni e quark up e down – i costituenti dei protoni e neutroni, dicono i ricercatori.

«Una stella di neutroni è come un nucleo atomico gigante» spiega Alex Filippenko, astronomo presso l’Università della California Berkeley e co-autore dell’articolo pubblicato ieri su The Astrophysical Journal Letters che riporta i risultati della ricerca. «Sappiamo più o meno come si comporta la materia a densità nucleari, come nel nucleo di un atomo di uranio, ma quando hai due masse solari e mezzo di questa roba, che equivalgono a circa 500mila masse terrestri di nuclei tutti insieme, come si comporterà questa materia non è affatto chiaro».

Immagine che mostra la debole stella compagna di Psr J0952-0607, la pulsar al millisecondo con la più alta velocità di rotazione della nostra galassia e la più massiccia che sia mai stata osservata. Crediti: W. M. Keck Observatory, Roger W. Romani, Alex Filippenko

«Una massa elevata per le stelle di neutroni suggerisce che si tratti di una miscela di nuclei e di quark up e down», aggiunge Romani. «Ciò esclude molti stati della materia proposti, specialmente quelli con una composizione interna esotica».

Come anticipato, secondo i ricercatori la massa stimata per questo oggetto potrebbe essere vicino al limite massimo raggiungibile, superato il quale il corpo celeste si trasforma in un altro oggetto di natura e forma differente. «Possiamo continuare a cercare vedove nere e stelle di neutroni che sono sempre più vicine al limite di massa per diventare buchi neri» dice a questo proposito Filippenko. «Ma se non ne troviamo nessuna, questo rafforza l’ipotesi secondo cui 2,3 masse solari è il loro vero limite superiore, oltre il quale diventano buchi neri».

Quanto all’evoluzione di questi sistemi binari, gli autori dello studio pensano che la fase finale di questo rapporto di coppia sia la formazione di una pulsar al millisecondo isolata. «Mentre la stella compagna si evolve e inizia a diventare una gigante rossa, la sua materia si riversa sulla stella di neutroni, facendola ruotare. Man mano che la stella di neutroni gira, essa diventa incredibilmente energizzata, emettendo un vento di particelle che colpisce la compagna iniziando a strapparle via materiale. Nel tempo, la massa di questa stella donatrice diminuisce fino a raggiungere quella di un pianeta e, con l’ulteriore passare de tempo, scompare del tutto: questo è il modo attraverso cui si potrebbero formare pulsar isolate al millisecondo» dice Filippenko. «All’inizio le pulsar non erano tutte isolate – dovevano essere in coppia, ma gradualmente hanno fatto evaporare i loro compagni e ora sono solitarie». La pulsar Psr J0952-0607 e la sua debole stella compagna supportano questa storia evolutiva.

Romani e il suo team hanno finora esaminato circa una dozzina di sistemi binari black widow. Di questi, solo sei avevano stelle compagne abbastanza luminose da consentire loro di calcolare la massa delle pulsar; tutte meno massicce di  Psr J0952-060.  I ricercatori sperano ora di studiare più sistemi binari simili, così come i loro cugini stretti: i cosiddetti sistemi redbacks –  dal nome di un’altra particolare specie di ragni velenosi australiani, i redback spider – che rispetto ai sistemi vedova nera hanno compagni stellari più grandi; e quelli per cui lo stesso Romani ha coniato il termine di sistemi tidarrens – dal nome di un parente stretto del ragno vedova nera, il Tidarren Sysiphoides dove la stella compagna ha circa un centesimo della massa solare.

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