Gli astronomi potrebbero aver trovato il residuo ultradenso di un’esplosione che ha distrutto una galassia vicina, creando la supernova.
È stato uno dei più grandi spettacoli pirotecnici della recente storia cosmica.
Il 23 febbraio 1987, ora terrestre, un’enorme stella esplose proprio di fronte agli astronomi del mondo, spargendo nastri e anelli di gas incandescente attraverso la Grande Nube di Magellano, una galassia satellite alle porte della Via Lattea. Oggi un anello di fumo largo due terzi di un anno luce segna quella parte del cielo: quasi 19 soli per un valore di stelle calde e incandescenti, alcuni dei quali ancora radioattivi, che si diffondono ancora verso l’esterno nell’universo e diligentemente monitorati dagli esseri umani usando strumenti come il telescopio spaziale Hubble .
Ma in tutte quelle osservazioni degli ultimi 33 anni mancava in modo evidente qualsiasi accenno al nucleo della stella esplosa, il seme demoniaco di questa catastrofe cosmica. È diventato un buco nero? Una densa pepita conosciuta come una stella di neutroni? Il nucleo della stella è appena scomparso? Nessuno lo sapeva.
Fino ad ora.
Lo scorso autunno, un team di radioastronomi guidato da Phil Cigan e Mikako Matsuura, dell’Università di Cardiff in Galles, ha affermato di aver trovato quello che hanno chiamato “un blob” di polvere che emana quasi 100 volte più energia del nostro sole nel relitto della supernova . Il nucleo mancante della stella deceduta, un potente acaro della materia ultra calda noto come stella di neutroni, potrebbe nascondersi lì dentro?
A maggio, un secondo gruppo di teorici , guidato da Dany Page dell’Università Nazionale Autonoma del Messico, ha concluso che la risposta potrebbe essere sì. Ha stimato che la stella di neutroni lasciata dall’esplosione dovrebbe essere compresa tra 2 milioni e 4 milioni di gradi Kelvin, abbastanza facilmente da riscaldare il blob.
“Siamo rimasti molto sorpresi di vedere questo caldo blob creato da una spessa nuvola di polvere nei resti di supernova”, ha detto il dottor Matsuura. Il team ha fatto la scoperta con Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, o ALMA, un array di 66 radiotelescopi nel deserto di Atacama in Cile. “Deve esserci qualcosa nella nuvola che ha riscaldato la polvere e la fa brillare”, ha detto.
Se quella fonte di calore si rivelasse una stella di neutroni, sarebbe l’esempio più giovane mai trovato di una delle creazioni più estreme della natura. Le stelle di neutroni sono le configurazioni stabili più dense della materia nell’universo, tipicamente con la metà della massa del sole, compressa in una palla delle dimensioni di Boston. Pensa a tutto il Monte Everest ridotto in un cucchiaino. Qualsiasi altra massa che cade su una stella di neutroni potrebbe farla precipitare nell’infinito collasso di un buco nero.
Rotanti e magnetizzate, le stelle di neutroni possono produrre i lampi radio simili a fari noti come pulsar. Nessuno sa esattamente come sono strutturati. Studiare l’evoluzione delle stelle di neutroni potrebbe fornire ai fisici un’idea del comportamento estremo della materia. E ovviamente confermerebbe le nozioni di lunga data degli astronomi su ciò che accade quando una stella muore.
“La stella di neutroni si comporta esattamente come ci aspettavamo”, ha detto James Lattimer, astrofisico alla Stony Brook University di New York e membro del team di ricerca del Dr. Page.
I team hanno pubblicato i loro risultati in un paio di articoli su Astrophysical Journal, più recentemente il 30 luglio.
Gli astrofisici hanno reagito con cautela ma con entusiasmo al rapporto, osservando che la stella di neutroni in questione rimane invisibile, almeno con la tecnologia attuale. Divennero anche nostalgici dell’esplosione del 1987, un evento fondamentale nella loro carriera.
“Stavamo aspettando qualcosa di simile”, ha detto Adam Burrows della Princeton University, che non faceva parte di nessuna delle due squadre, ma ha studiato questa supernova da tre decenni.
“Ho studiato SN 1987A per metà della mia vita”, ha detto Robert Kirshner, un esperto di supernova ora presso la Gordon and Betty Moore Foundation di Palo Alto, in California.
Daniel Holz, astrofisico presso l’Università di Chicago, ha definito la nuova scoperta “una sorta di passo a metà”. Gli astronomi hanno visto qualcosa di incandescente, ha detto, ma “una cosa per un gruppo di teorici è dire ‘pensiamo che probabilmente abbia formato una stella di neutroni’ e una cosa completamente diversa quando gli astronomi trovano effettivamente la prova che in realtà c’è una stella di neutroni lì “.
Supernova 1987A, come è noto, è stata la supernova più vicina alla Terra da centinaia di anni; la Grande Nube di Magellano è a soli 168.000 anni luce di distanza. Gli astronomi l’hanno rapidamente diagnosticata come una supernova di tipo II, causata dal collasso di una stella massiccia. (Un’altra varietà di supernova, il tipo IA, è il risultato della distruzione di ceneri stellari chiamate nane bianche e ha acquisito utilità come indicatori di distanza cosmica.)
Al suo apice all’inizio dell’estate del 1987, la supernova stava riversando tanta energia quanto 250 milioni di soli, il che a quella distanza la rendeva chiaramente visibile e quasi luminosa come le stelle dell’Orsa Maggiore, secondo il dottor Kirshner, che L’ho visto ad occhio nudo come un astronomo in Cile.
“Ma molto rosso!” ha scritto in una e-mail. “Ricordo ancora quel punto esclamativo” nella Grande Nube di Magellano.
Secondo gli astronomi, ci sono tre possibili destini per una stella che ha esaurito il carburante ed è morta. Può finire come una cenere calda e densa chiamata nana bianca, come una stella di neutroni ancora più calda e densa o come un buco nero, a seconda della sua massa iniziale e di altri dettagli della sua composizione.
La stella esplosa è stata successivamente identificata come una gigantesca stella blu nota come Sanduleak -69 ° 202 , che è prontamente svanita dal cielo. All’inizio era circa 19 volte più massiccio del Sole, il che lo colloca nella gamma che secondo gli astronomi dovrebbe produrre una stella di neutroni.
A rafforzare questa convinzione fu la successiva scoperta che due o tre ore prima della scoperta della supernova, un impulso di due dozzine di particelle subatomiche leggere chiamate neutrini si era riversato nei rivelatori di particelle sulla Terra. Messaggeri dall’interno dell’inferno, avevano superato la luce visibile sfuggendo alla stella che stava collassando.
“I neutrini sono davvero la chiave per il processo di supernova e stella di neutroni”, ha detto il dottor Burrows.
Quando una stella massiccia come questa subisce la sua immolazione termonucleare, ha osservato, sviluppa strati di pelle di cipolla di elio, ossigeno, carbonio e altri elementi appena coniati. Al centro c’è un nucleo crescente di ferro, l’elemento più stabile. Quando raggiunge un limite chiamato limite di Chandrasekhar, al quale le forze atomiche non possono più sostenere il suo peso, implode e poi rimbalza, lasciandosi dietro una stella di neutroni calda e densa.
Un’onda d’urto si increspa attraverso gli strati di cipolla. Ad accompagnarlo, e alimentarlo mediante riscaldamento assorbente, ci sono copiose quantità di neutrini, creati dall’energia del collasso. In effetti, fino al 99 percento dell’energia di una supernova entra in queste particelle ed esce nel cosmo.
I neutrini sono famosi per la loro spettrale capacità di passare attraverso il piombo solido come la luce della luna attraverso il vetro, ma anche i neutrini hanno difficoltà a sfuggire al nucleo di una densa stella di proto-neutroni. È l’energia fornita dai neutrini, pensano gli astronomi, che fornisce la grinta per far saltare in aria la stella. Se i neutrini non possono emergere abbastanza velocemente da riscaldare un’esplosione, è probabile che la supernova svanisca e la stella di neutroni appena nata collasserà in un buco nero, ha detto il dottor Burrows.
Nel caso di SN 1987A, sono scappati. “Le persone sono abbastanza sicure che una stella di neutroni si sia formata dal grido di neutrini che sono stati visti al momento del collasso del nucleo”, ha detto il dottor Kirshner. “Ma il risultato di ALMA è la prima indicazione che potrebbe esserci davvero qualcosa lì dentro, in questo caso riscaldando la polvere del blob vicino al centro.”
Il Dr. Page ha detto che i neutrini potrebbero anche essere prodotti dal collasso in un buco nero: “Sarebbe un segnale molto breve, meno di un secondo, mentre la stella sta cadendo nel buco nero”. Ma, ha osservato, l’impulso da SN 1987A è durato circa 10 secondi. “Quindi doveva avere qualche stella di proto-neutroni che sopravvivesse lì per almeno 10 secondi.”
La stella avrebbe potuto trasformarsi in un secondo momento in un buco nero, se molta materia fosse ricaduta su di essa, ha detto, ma il fatto che la supernova sia stata un’esplosione così forte suggerisce che non sia accaduto. Di conseguenza, la stella di neutroni sarebbe dovuta sopravvivere.
Nel luglio 2015, la dottoressa Matsuura ei suoi colleghi hanno setacciato il residuo di supernova ad altissima risoluzione con l’ALMA. “Troviamo che l’emissione di polvere nell’ejecta è grumosa e asimmetrica”, hanno scritto nel loro rapporto.
La macchia calda che si sospetta possa ospitare la stella di neutroni si trovava in una regione particolarmente densa che il team ha chiamato “buco della serratura”, dove le sue emanazioni molecolari potevano essere a malapena rilevate. Il blob si irradiava a una temperatura di 35 gradi Kelvin, hanno riferito – solo 35 gradi Celsius sopra lo zero assoluto – mentre l’ambiente circostante era a soli 20 gradi Kelvin.
Gli astronomi avevano già preso di mira il buco della serratura come probabile posizione per la stella di neutroni, se esistesse. La supernova era asimmetrica, con una quantità maggiore di materiale espulso che volava in una direzione piuttosto che in un’altra, e ciò che era rimasto del nucleo si ritraeva nella direzione opposta a centinaia di miglia al secondo. Il nucleo ha ora viaggiato a circa un decimo di anno luce dal sito originale dell’esplosione, ha detto il dottor Matsuura.
In che modo gli astronomi concluderanno alla fine se una stella di neutroni è effettivamente lì? Se si trasforma in una pulsar, emetterà onde radio, ha detto il dottor Page. In caso contrario, potrebbe emettere raggi X che potrebbero essere visti dall’Osservatorio a raggi X Chandra .
“In entrambi i casi, avresti bisogno di fortuna per avere un piccolo buco nel resto che lascia passare le radiazioni”, ha detto, o aspetta qualche altro decennio affinché la polvere e il gas si disperdano dal buco della serratura.
La dottoressa Matsuura ha detto che inizialmente non stava cercando di trovare la stella di neutroni. “Ero ancora una studentessa al momento dell’esplosione di SN 1987A”, ha detto in una e-mail.
Il dottor Page era uno studente laureato all’epoca e l’evento lo ha spinto a diventare un astronomo, ha detto in una e-mail. Lo paragonò a un “sacro graal moderno” – tali esplosioni, dopo tutto, hanno creato gli atomi di cui sono fatti la Terra e il nostro corpo.
Ma, ha aggiunto, anche dopo essere diventato un astronomo professionista, i suoi mezzi per risolvere il puzzle erano limitati. “Sono un teorico, e stavo solo aspettando che gli osservatori trovassero un primo segno, un giorno”, ha detto.