Una stella di neutroni è un oggetto astronomico estremamente denso e compatto che rappresenta uno degli stadi finali dell’evoluzione stellare. Si forma dal collasso gravitazionale del nucleo di una stella massiccia (8-30 masse solari) dopo una supernova.
Caratteristiche fisiche principali
Dimensioni e massa
Le stelle di neutroni presentano dimensioni incredibilmente ridotte, con un raggio tipico compreso tra 10 e 15 chilometri. Nonostante le dimensioni contenute, la loro massa è considerevole, variando tra 1,4 e 3 masse solari. Questo determina una densità straordinariamente elevata, nell’ordine di 10¹⁴-10¹⁵ grammi per centimetro cubo, paragonabile alla densità della materia nucleare.
Struttura interna
La struttura interna di una stella di neutroni è organizzata in strati concentrici. L’atmosfera costituisce uno strato superficiale estremamente sottile di plasma, con uno spessore di pochi centimetri. Procedendo verso l’interno, si trova la crosta esterna, caratterizzata da un reticolo cristallino di nuclei pesanti ricchi di neutroni. La crosta interna rappresenta una zona di transizione dove i nuclei diventano progressivamente più ricchi di neutroni. Il nucleo esterno è composto da un fluido di neutroni degeneri con una piccola frazione di protoni ed elettroni. La composizione del nucleo interno rimane oggetto di dibattito scientifico, con la possibile presenza di materia esotica.
Proprietà osservative
Caratteristiche rotazionali
Le stelle di neutroni mostrano periodi di rotazione che variano da millisecondi a secondi. Nel tempo si osserva un rallentamento graduale della rotazione, anche se occasionalmente possono verificarsi dei “glitch”, ovvero improvvisi aumenti della velocità di rotazione.
Campi magnetici
Il campo magnetico delle stelle di neutroni raggiunge intensità elevatissime, comprese tra 10⁸ e 10¹⁵ Gauss. Le stelle che presentano i campi più intensi vengono classificate come magnetar. È importante notare che il campo magnetico non è necessariamente allineato con l’asse di rotazione della stella.
Tipi di stelle di neutroni
Pulsar
Le pulsar sono stelle di neutroni che emettono radiazione elettromagnetica pulsata. Questa radiazione è concentrata in fasci dovuti al campo magnetico e diventa osservabile quando il fascio interseca la linea di vista terrestre. Esistono diverse categorie di pulsar: le pulsar radio rappresentano la forma più comune; le pulsar millisecondi sono caratterizzate da rotazioni molto rapide e si trovano tipicamente in sistemi binari; le pulsar X emettono principalmente nella banda dei raggi X; le magnetar sono pulsar dotate di campi magnetici di intensità estrema.
XINS
Le XINS (X-ray Isolated Neutron Stars) sono stelle di neutroni isolate osservabili principalmente nei raggi X. A differenza delle pulsar, non mostrano attività pulsante e mantengono temperature superficiali relativamente elevate.
Formazione ed evoluzione
Il processo di formazione di una stella di neutroni inizia con il collasso del nucleo di una stella massiccia, seguito dall’esplosione di supernova. La materia subisce un processo di neutronizzazione fino alla stabilizzazione della struttura. L’evoluzione successiva è caratterizzata da un graduale raffreddamento e dal rallentamento della rotazione. Se la stella si trova in un sistema binario, può verificarsi accrescimento di materia. Nel caso in cui la massa superi un certo limite, la stella di neutroni può collassare ulteriormente formando un buco nero.
Importanza scientifica
Le stelle di neutroni fungono da laboratori naturali per lo studio della materia in condizioni estreme, permettendo di verificare le previsioni della relatività generale e di approfondire la conoscenza della fisica nucleare. In ambito astrofisico, le pulsar millisecondi vengono utilizzate come precisi cronometri cosmici, mentre lo studio delle stelle di neutroni fornisce informazioni cruciali sull’evoluzione stellare e sulla produzione di onde gravitazionali.
Storia delle osservazioni
La prima pulsar fu scoperta nel 1967 da Jocelyn Bell Burnell, aprendo un nuovo campo di ricerca in astrofisica. Nel 1982 venne identificata la prima pulsar millisecondo. Un momento storico fondamentale si è verificato nel 2017 con la prima osservazione di una fusione tra stelle di neutroni (evento GW170817), rilevata sia attraverso onde gravitazionali che mediante osservazioni elettromagnetiche. Le osservazioni vengono condotte mediante radiotelescopi, osservatori spaziali a raggi X e rivelatori di onde gravitazionali.
Fenomeni associati
Le stelle di neutroni in sistemi binari mostrano fenomeni peculiari legati all’accrescimento di materia dalla stella compagna, che spesso si manifesta attraverso intensa emissione di raggi X. Questi sistemi forniscono un laboratorio unico per lo studio dei processi di accrescimento e dell’evoluzione dei sistemi binari stretti.
La “danza” degli elettroni nelle stelle di neutroni: una finestra sulla creazione degli elementi pesanti
Ulteriori informazioni: Albert Sneppen et al, Emergence hour-by-hour of features in the kilonova AT2017gfo, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: https://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202450317
Un team di astrofisici del Niels Bohr Institute dell’Università di Copenhagen ha compiuto un passo significativo nell’osservazione e nella comprensione della materia prodotta da collisioni di stelle di neutroni, pubblicando le loro scoperte su Astronomy & Astrophysics. Utilizzando nuove tecniche, sono stati in grado di analizzare il bagliore radioattivo, o afterglow, generato dall’esplosione che segue la fusione di due stelle di neutroni, culminando nella nascita di un buco nero.
Misurare la temperatura delle particelle elementari
Questa collisione, un evento raro e violento, ha permesso agli scienziati di misurare direttamente la temperatura delle particelle elementari in una kilonova, un’esplosione che sprigiona una luminosità paragonabile a quella di centinaia di milioni di stelle. Per la prima volta, è stato possibile analizzare le proprietà fisiche a livello microscopico di queste particelle, in un istante che sembra fermo nel tempo, ma che rappresenta una dinamica estesa nel corso delle ore e dei giorni.
La creazione di elementi pesanti e la nascita di un buco nero
Nel corso dell’esplosione, si è formato un piccolo buco nero, il più piccolo osservato finora, e al contempo una palla di fuoco si è espansa quasi alla velocità della luce. È proprio il decadimento degli elementi pesanti e radioattivi creati durante la fusione a dare origine all’intensa luminosità della kilonova, offrendo un’opportunità unica per gli scienziati di osservare la sintesi degli elementi chimici.
Attraverso le misurazioni combinate di telescopi terrestri e spaziali, tra cui il telescopio spaziale Hubble e quelli in Australia e Sudafrica, i ricercatori sono riusciti a seguire nel dettaglio l’evoluzione dell’esplosione. La combinazione delle diverse osservazioni ha rivelato particolari unici, mostrando che la somma di questi dati è più rivelatrice delle singole osservazioni.
Un parallelo con l’universo primordiale
Appena dopo la collisione, la materia espulsa raggiunge temperature di miliardi di gradi, mille volte superiori a quelle al centro del Sole e paragonabili alla temperatura dell’universo solo un secondo dopo il Big Bang. A queste temperature estreme, gli elettroni sono liberi dai nuclei atomici, formando un plasma ionizzato in cui gli elettroni “danzano” indipendenti. Questo fenomeno rispecchia quello che è accaduto nel giovane universo, offrendo un parallelo affascinante tra eventi cosmici attuali e le condizioni dell’universo primordiale.
La “firma” dello stronzio: una prova della nucleosintesi
Circa 370.000 anni dopo il Big Bang, l’universo si era raffreddato a sufficienza da permettere agli elettroni di legarsi ai nuclei atomici, dando origine ai primi atomi e consentendo alla luce di viaggiare liberamente. Similmente, nella materia espulsa dall’esplosione della kilonova, si osserva ora la creazione di nuovi atomi, tra cui elementi pesanti come lo stronzio e l’ittrio, considerati importanti prove della nucleosintesi di elementi pesanti.
Grazie alle osservazioni di questo processo, gli scienziati hanno potuto osservare in tempo reale la nascita degli atomi e misurare la temperatura della materia stellare in espansione, come spiega il dottorando Rasmus Damgaard: “Stiamo osservando una sorta di radiazione cosmica di fondo per questo evento esplosivo, simile a ciò che ci circonda nell’universo.”
Una visione unica nel passato dell’universo
Il professor Kasper Heintz, coautore dello studio, ha evidenziato come la materia dell’esplosione si espanda a velocità così elevate che la luce impiega diverse ore per attraversarla, permettendo agli scienziati di osservare simultaneamente parti dell’evento come se stessero guardando nel passato. In una zona della palla di fuoco, gli elettroni si sono già legati ai nuclei atomici, mentre nell’area più lontana dal buco nero appena formato, si osserva uno stato primordiale dell’esplosione.
Queste osservazioni non solo avvicinano gli scienziati a rispondere alla domanda sulle origini degli elementi più pesanti del ferro, ma offrono anche una nuova prospettiva sui processi fondamentali di nucleosintesi che rispecchiano le condizioni dell’universo nelle sue fasi iniziali.