Illustrazione artistica di un’esplosione a simmetria sferica. Crediti: Albert Sneppen
Le kilonove sono gigantesche esplosioni che si verificano quando due oggetti compatti, come stelle di neutroni o buchi neri, si fondono tra loro, dando origine alle condizioni fisiche più estreme dell’universo, nelle quali vengono creati gli elementi più pesanti della tavola periodica, come l’oro, il platino e l’uranio.
Quando nel 2017 è stata rilevata At2017gfo – una kilonova a 140 milioni di anni luce di distanza – per la prima volta è stato possibile raccogliere dati dettagliati che gli scienziati di tutto il mondo stanno tuttora interpretando. Analizzando questi dati – in particolare quelli in luce ultravioletta, ottica e infrarossa raccolti dallo spettrografo X-shooter sul Very Large Telescope presso l’European Southern Observatory, combinati con analisi di onde gravitazionali, onde radio e osservazioni del telescopio spaziale Hubble – Albert Sneppen e Darach Watson dell’Università di Copenaghen hanno fatto una scoperta sorprendente, che sembra essere in contrasto con quanto finora indicato dalla teoria.
«Ci sono due stelle super compatte che orbitano l’una intorno all’altra 100 volte al secondo prima di collassare. La nostra intuizione, in accordo con tutti i modelli precedenti, suggerisce che la nube esplosiva creata dalla collisione abbia una forma appiattita e piuttosto asimmetrica», spiega Sneppen, studente di dottorato presso il Niels Bohr Institute e primo autore dello studio pubblicato sulla rivista Nature.
Ecco perché lui e i suoi colleghi sono rimasti sorpresi nello scoprire che per la kilonova del 2017 non sembra essere affatto così: è completamente simmetrica e ha una forma simile a una sfera perfetta. «Nessuno si aspettava che l’esplosione fosse così. Non ha senso che sia sferica, come una palla. Ma i nostri calcoli mostrano chiaramente che lo è. Questo probabilmente significa che le teorie e le simulazioni di kilonove che abbiamo considerato nel corso degli ultimi 25 anni mancano di una fisica importante», afferma Watson, professore associato presso il Niels Bohr Institute e secondo autore dello studio.
Il motivo per cui la kilonova sia sferica è quindi un mistero. Secondo i ricercatori, in gioco ci deve essere una fisica inaspettata che porta al rilascio di un’enorme quantità di energia al centro dell’esplosione.
Quando due stelle di neutroni si scontrano, per un breve periodo si uniscono in una singola stella di neutroni ipermassiccia, che poi collassa in un buco nero. I ricercatori ipotizzano che gran parte del segreto sia nascosto in questo collasso: «Forse viene creata una sorta di “bomba magnetica” nel momento in cui l’energia dell’enorme campo magnetico della stella di neutroni ipermassiccia viene rilasciata, quando la stella collassa in un buco nero. Il rilascio di energia magnetica potrebbe causare l’esplosione della materia distribuita in modo più sferico. In tal caso, la nascita del buco nero potrebbe essere molto energetica», afferma Watson.
Tuttavia, questa teoria non spiega un altro aspetto della scoperta. Secondo i modelli precedenti, mentre tutti gli elementi prodotti sono più pesanti del ferro, gli elementi estremamente pesanti, come l’oro o l’uranio, dovrebbero essere creati in luoghi diversi nella kilonova rispetto agli elementi più leggeri come lo stronzio o il krypton, e dovrebbero essere espulsi in direzioni diverse. I ricercatori, invece, rilevano solo gli elementi più leggeri, che appaiono distribuiti uniformemente nello spazio.
Gli scienziati ritengono che anche i neutrini, le enigmatiche particelle elementari, svolgano un ruolo chiave nel fenomeno. «Un’idea alternativa è che nei millisecondi in cui la stella di neutroni ipermassiccia prende vita, emette in modo estremamente potente, incluso un numero enorme di neutrini. I neutrini possono causare la conversione dei neutroni in protoni ed elettroni, e quindi creare elementi più leggeri. Questa idea presenta anche dei difetti, ma crediamo che i neutrini svolgano un ruolo più importante di quanto abbiamo sempre pensato», afferma Sneppen.
La forma dell’esplosione è interessante anche per un altro motivo, completamente diverso: «Tra gli astrofisici si discute molto sulla velocità di espansione dell’universo. La velocità ci dice, tra le altre cose, quanti anni ha l’universo. E i due metodi che esistono per misurarla sono in disaccordo di circa un miliardo di anni. Qui potremmo avere un terzo metodo che può integrare le altre misurazioni ed essere testato», afferma Sneppen.
La cosiddetta scala delle distanze cosmiche è l’insieme dei metodi che gli astronomi usano per determinare le distanze degli oggetti e misurare la velocità di crescita dell’universo. «Se sono luminose e per lo più sferiche, e se sappiamo quanto sono lontane, possiamo usare le kilonove come un nuovo modo per misurare la distanza in modo indipendente – un nuovo tipo di righello cosmico», dice Watson. «Sapere quale sia la forma è fondamentale, perché un oggetto non sferico emette in modo diverso a seconda dell’angolo da cui lo si guarda. Un’esplosione sferica fornisce una precisione molto maggiore nella misurazione».
Per capire se ciò sia effettivamente possibile serviranno molti più dati, sottolinea il ricercatore, e quindi dovremo aspettare che Ligo e Virgo rilevino molte più kilonove, nei prossimi anni.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Spherical symmetry in the kilonova AT2017gfo/GW170817” di Albert Sneppen, Darach Watson, Andreas Bauswein, Oliver Just, Rubina Kotak, Ehud Nakar, Dovi Poznanski & Stuart Sim