Stelle veramente pesanti

Scoperta la stella di neutroni più massiccia mai osservata. Essa pone dei chiari “paletti” alla conoscenza della materia estremamente densa.

La stella di cui parleremo ha una massa di circa due volte quella del Sole. Tutti sanno che le stelle di neutroni sono il residuo superdenso di stelle massicce che sono esplose attraverso il fenomeno della supernova. Le loro dimensioni non superano quelle di una piccola città terrestre, al più una ventina di chilometri, dato che i protoni e gli elettroni della materia si sono fusi assieme dando luogo a neutroni e abolendo tutto lo spazio “vuoto” dell’atomo. Ovviamente la densità è tale che un cucchiaio di materiale della stella peserebbe non meno di 500 milioni di tonnellate. Non avendo i problemi di “visibilità” di un buco nero (lo stadio successivo) le $stelle di neutroni$ sono un laboratorio eccezionale per studiare le caratteristiche della materia super densa e gli stati più “esotici” a cui può giungere la fisica.

Per misurare la massa della stella di neutroni del presente articolo (la pulsar PSR J1614-2230) gli scienziati hanno usato uno dei tanti effetti legati alla teoria della relatività di Einstein. Va detto che la $stella di neutroni$ ha una nana bianca come compagna e che, essendo anche una $pulsar$, emette un fascio di onde radio che viene osservato a ogni sua rotazione (proprio come un faro posto su una scogliera marina). Nel nostro caso l’oggetto supermassiccio ruota 317 volte al secondo e la compagna le gira attorno in meno di nove giorni. La coppia dista circa 3000 anni luce da noi e l’inclinazione dell’orbita ha favorito le misure, in quanto essa si mostra perfettamente di taglio.

In queste condizioni, allorché la nana bianca passa davanti alla $pulsar$, il fascio radio inviato da quest’ultima è costretto a passare vicinissimo alla nana bianca. Questo passaggio ravvicinato causa un “ritardo” nell’arrivo delle onde radio sulla Terra, in quanto esse vengono ritardate dalla deformazione dello spazio-tempo causata dalla gravità della nana bianca. Questo effetto, chiamato Shapiro Delay, permette di misurare con grande precisione le masse di entrambe le stelle.

Si è stati veramente fortunati (ogni tanto ci vuole!) in quanto oltre alla prospettiva perfetta dell’orbita, la $pulsar$ ha una rotazione rapida che può essere seguita per tutta l’orbita e la nana bianca è piuttosto massiccia per la sua categoria. L’effetto Shapiro è risultato molto forte e quindi facile da misurare.

Gli astronomi hanno usato un nuovo strumento digitale chiamato Green Bank Ultimate $Pulsar$ Processing Instrument (GUPPI) attaccato al National Radio Astronomy Observatory del New Mexico, che ha permesso una straordinaria precisione nella rilevazione temporale dei segnali radio.

I ricercatori si aspettavano una massa di circa 1,5 masse solari, invece la $pulsar$ è risultata ben più massiccia. Questo “surplus” di massa cambia le idee correnti sulla composizione delle $stelle di neutroni$. Alcuni modelli teorici ipotizzavano, infatti, la presenza di altre particelle subatomiche chiamate “iperioni” o condensati di “kaoni” all’interno di esse. I risultati di quest’articolo sembrano escludere del tutto tali ipotesi.

Hanno, però, anche altre implicazioni. Se strani “quark” fossero presenti all’interno di queste stelle, essi non potrebbero essere “liberi”, ma strettamente legati insieme come capita nei normali nuclei atomici. Ovviamente, rimangono ancora varie valide ipotesi sulla composizione interna di questi astri supermassicci, ma i nuovi risultati pongono chiari limiti a queste, così come alla massima possibile densità della materia fredda.

Le osservazioni di PSR J1614-2230 danno informazioni ancora più generali. Ad esempio, una delle spiegazioni maggiormente accettate sull’origine di un particolare tipo di esplosione di raggi gamma (GRB), quelli di breve durata, ipotizza come causa la collisione tra $stelle di neutroni$. Il fatto che esistano stelle massicce come la PSR J1614-2230, dà forza a questa idea.

Inoltre, queste collisioni dovrebbero produrre onde gravitazionali, una delle “scoperte” più attese dall’odierna astrofisica.

Misurazione della massa

Gli impulsi provenienti da una $stella di neutroni$ (nello sfondo) vengono rallentati durante il loro passaggio vicino ad una stella piuttosto massiccia come una nana bianca (in primo piano). Questo effetto permette di misurare molto bene la massa delle singole stelle. (Fonte: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF)

L’articolo originale si può trovare qui

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21 Commenti

  1. Per i precisini, la massa stimata è 1,97 volte quella del Sole.

    C’è qualcuno, però, che mi spiega cosa sostiene il campo magnetico della pulsar?
    Cioè, a me risulta che il magnetismo dipenda da cariche in movimento.
    Ma in una stella di neutroni, dove sono le cariche?
    Scusate la mia tremenda ignoranza…..

  2. 😯 Bella la domanda di Red Hanuman, non ci avevo mai pensato! Io non ho ben capito se per “strani quark” si intendono i quark strange, oppure sono “strani” per un altro motivo?

  3. Red Hanuman,
    ho fatto un pò di ricerche, posso in parte risponderti,ma lascio maggiori spiegazioni o correzioni alle mie risposte a chi ne sa molto di più.
    Le stelle di neutroni hanno una massa simile a quella del Sole. Ma il loro raggio è dell’ordine di 10 km.La loro massa è perciò compressa in un volume molto più piccolo, e la densità quindi è enormemente maggiore.Come conseguenza, queste stelle possiedono un campo gravitazionale enorme.La velocità di fuga è infatti nell’ordine di un terzo della velocità della luce.
    A causa di questo elevato campo gravitazionale,la materia che ne compone la superfice, atomi normali ionizzati, subisce grosse modifiche strutturali man mano che ci si sposta verso il centro,dove troviamo quantità sempre più elevate di neutroni,che decadrebbero rapidamente in condizioni normali, ma sono tenuti stabili dall’enorme pressione. Vicino al centro, si trovano nuclei, elettroni liberi e neutroni liberi.Il centro è invece composto da una materia superdensa ,che non è ancora ben compresa e chiamata Neutronio ….Si pensa essere composta da protoni,elettroni,neutroni e particelle subatomiche come i quark ( ricordo che i quark sono i componenti dei neutroni ed hanno anche loro cariche elettriche ).
    Da questo possiamo dedurre che una stella di neutroni, non è composta solo da neutroni, ma anche dai restanti componenti dell’atomo,che si muovono liberi dentro di essa.Quindi credo sia dovuto a questi il campo magnetico che le caratterizza.
    Spero di essere stato di aiuto e di aver dato spiegazioni corrette.

  4. Ti ringrazio, Marco!
    In effetti, avevo trascurato il fatto che la natura è molto più fantasiosa di quello che penso.
    Quello che io ritenevo un insieme di neutroni impacchettati strettamente, molto più probabilmente è un’insieme fluttuante di particelle cariche in compartecipazione con l’intera massa della stella, la cui carica è però complessivamente neutra.
    Mi ha dato l’idea di una struttura simile a quella di un metallo, dove gli atomi sono immersi in una nuvola di elettroni.
    E, come nel metallo, una struttura del genere favorisce il passaggio delle cariche, e quindi la generazione di un campo magnetico.
    Mi ricorda anche un po’ la struttura della grafite….
    Potrebbe anche darsi che i neutroni si scindano in elettroni e protoni, per poi rifondersi in neutroni, in un’equilibrio dinamico. Stesso discorso potrebbe valere per i quark.
    Scusa le mie fantasticherie e grazie ancora!!

  5. Red Hauman,
    grazie a te!!!….E’ sempre un piacere confrontarsi e scambiare le proprie conoscenze in modo da divulgare e spiegare come si muove la natura che ci circonda, che come hai detto tu….è molto fantasiosa!!
    Non voglio passare per il saccente puntiglioso, ma ti faccio solo una precisazione.
    I neutroni non si scindono in elettroni e protoni, ma formano insieme a questi la struttura dell’atomo.
    Chimicamente, solo ‘l’elettrone è una particella fondamentale ( cioè non composta da altre subparticelle ), mentre i neutroni ed i protoni sono composti da quark.
    😉

  6. Caro Marco,
    normalmente i neutroni sono stabili, ma possono scindersi in un protone, un elettrone e un’antineutrino elettronico in un processo chiamato “decadimento beta meno”.
    Nulla mi vieta dunque di supporre che, nelle condizioni particolari che ci sono all’interno della pulsar, possa esserci un processo simile a quello che ho supposto.
    Lo stesso può valere per le varie specie di quark, che magari si separano grazie sempre alle stesse condizioni estreme della pulsar, per poi ricombinarsi. Chissà…..
    Sono semplici supposizioni, e lascio ai fisici di professione la possibilità di smentirmi o meno.
    Per il resto, anche a me piace molto il confronto sulla scienza….
    E magari anche accapigliarsi un po’….. :mrgreen:

  7. Complimenti per l’ accesa discussione nei commenti…non è semplice comprendere bene tutto quello che avete scritto, ma rende “vagamente” l’dea della complessità di alcuni aspetti fisici concreti.
    Spero di assistere ad altri interessanti confronti.

  8. Red,
    chiedo scusa,avevo inteso che considerassi il neutrone formato da protoni ed elettroni.. 😳
    Tra bosoni,leptoni,fermioni,quark,antiquark,neutrini ed i miei neuroni,ho fatto un pò di salsa cocktail!!! :mrgreen:

    Concordo con te sul decadimento dei neutroni, dove, nel neutrone iniziale composto di due quark down e un quark up, un quark down emette un bosone , trasformandosi in quark up (quindi il neutrone è diventato un protone che è formato da un quark down e due quark up). Il bosone poi, decade in un elettrone e in un antineutrino.
    Questo processo,però,non riesco a capire come possa avvenire in una stella di neutroni, dove i neutroni,sono mantenuti stabili dall’elevatissimo campo gravitazionale.
    Se il decadimento dei neutroni non fosse possibile,credo che i protoni e gli elettroni presenti siano quelli che andavano a formare gli atomi ionizzati di superficie che si trasformano man mano che ci si sposta verso il centro, o anche dal decadimento dei neutroni stessi, che sono stabili solo in profondità,ma che in superficie possono ancora decadere.

    Sinceramente mi stò un pò perdendo…aiutateci!!!!!! 😈

  9. Secondo me il campo magnetico in questo caso può essere spiegato immaginando che il “nucleo” della stella ruoti su se stesso ad una velocità leggermente diversa rispetto a quella della superficie stellare…
    Saluti!

  10. A proposito di Quark; per quello che ne so io non sono stati mai rivelati. Credo che sono solo una teoria. L’ho letto su un libro di un certo Oerter mi sembra, fisico della meccanica quantistica. Mi è è sembrato molto più sincero di altri che ho letto dove si danno cose per scontate dove non lo sono.
    Saluti.

  11. Marco,
    io ho fatto solo una supposizione.
    Se gli scienziati dicono i neutroni in una pulsar sono stabili, hanno sicuramente i loro buoni motivi.
    Questo, però, non mi impedisce di pensare che la realtà sia un’altra.
    In effetti, quanto accade in un corpo lontano anni luce e per ora irraggiungibile può essere solo dedotto da quanto possiamo sperimentare direttamente.
    Per essere sicuri, dovremmo ricreare le condizioni della pulsar; il che mi sembra difficile.
    Gli unici esperimenti che ci possono dare delle indicazioni in merito sono quelli dell’LHC.
    Ma siamo ancora agli inizi…

  12. Red,
    Non volevo essere il tuo contradditorio, ma volevo, con te, cercare di capire come potrebbero andare le cose, sviluppando ipotesi e ponendo domande che potrebbero smentirle.
    La tua ipotesi è più che corretta.
    Speriamo che riescano velocemente a dimostrare sperimentalmente questa e molte altre cose.

  13. Marco,
    ho capito da subito le tue intenzioni, e come te volevo ragionarci su.
    Solo, non volevo sembrare presuntuoso. La mia è unicamente una supposizione, un castello in aria.
    Mi è piaciuto molto questo confronto, e spero che ce ne saranno altri.
    Mi ha ricordato i tempi dell’università a Pavia; quando ci si accapigliava sulla fusione fredda. Non hai idea di quanto mi sono divertito, all’epoca!!
    Ma, ripeto, aspetto lumi dai fisici professionisti.
    Io non sono nemmeno un modestissimo dilettante in materia.
    Grazie a te per il batti e ribatti!

  14. Red,
    grazie a te.
    Al prossimo articolo per altre domande ed ipotesi su cui ragionare!!
    Su questo argomento, pero’, a questo punto, riprendo la tua domanda originale, dato che non ne abbiamo cavato un ragno dal buco :mrgreen:

    Vincenzo,
    mi permetto di chiederle se, tramite spiegazioni semplici, ci potete aiutare a capire da cosa puo’ essere formato il campo magnetico nella stella di neutroni?
    grazie mille

  15. @ tutti,
    in questi giorni non sono riuscito a seguire i commenti… chiedo scusa 😐

    il fatto di diminuire le proprie dimensioni non solo causa una rotazione molto rapida (conservazione del momento angolare), ma incrementa anche di molto l’intensità del campo magnetico che la stella possedeva e che continua a essere attivo. Ricordiamoci poi che la materia di cui è composta una pulsar è semi-fluida.

  16. Caro Enzo,
    nel nostro battibecco ci lambiccavamo il cervello per capire se una stella di neutroni avesse o meno materia ordinaria al suo interno, visto che ci risulta che il campo magnetico sia sorretto da cariche in movimento.
    Se ho ben capito il tuo intervento, la stella di neutroni ha questo nome perché ha un’eccesso o una preponderanza dei neutroni sulle altre particelle.
    Il che significa che comunque in essa sono presenti i protoni e gli elettroni (ed altro eventualmente) necessari per mantenere il campo magnetico.
    Se ho capito bene, il resto del tuo intervento va da se.
    Se è così, la nostra discussione ha trovato la sua risposta, finalmente! 🙂

  17. Azz…!!!! Ma a questo punto ho un’altra domanda!!!
    Può un buco nero avere un campo magnetico?
    O meglio, è mai stato osservato un buco nero di Kerr-Newman?

  18. caro Red,
    per quanto riguarda la prima parte hai perfettamente ragione. All’esterno della stella vi sono nuclei e elettroni vaganti e a mano a mano che si va verso il centro crescono i neutroni.
    Nella seconda parte, il buco nero di Kerr è il più probabile (rotazione), ma io direi che il campo magnetico è formato soprattutto dalla materia che cade all’interno in rapida rotazione.

  19. Grazie, Enzo!
    Adesso, finalmente, posso darmi pace.
    Spero di non aver tediato nessuno con la mie domande.
    Non è colpa mia. E’ che mi dipingono così….. :mrgreen:

  20. Enzo,
    grazie mille!!!!!!
    Red,
    aspetto il prossimo articolo per affilare i neuroni!! :mrgreen:

  21. Grazie Enzo per un altro fantastico articolo!
    Onore alla gravità…. 🙂