Lampo gamma svela i segreti delle magnetar

Il 15 aprile 2020, una serie di sonde spaziali in diversi luoghi del Sistema solare registrano un brevissimo lampo di raggi gamma ad altissima energia. La prima a rivelare il segnale è Mars Odissey, in orbita intorno a Marte, seguita pochi minuti dopo da Wind, una sonda che si trova tra la Terra e il Sole, dagli osservatori di raggi gamma Integral e Fermi e da Swift, telescopio spaziale per lo studio dei raggi X, tutti e tre in orbita intorno alla Terra, e anche da Asim, un esperimento europeo a bordo della Stazione spaziale internazionale. Il lampo è durato solo 140 millisecondi, poco più di un decimo di secondo, ma triangolando i dati ricevuti dai molteplici satelliti, che formano una rete chiamata Interplanetary Network, e i rispettivi ritardi, è stato possibile risalire rapidamente alla sorgente che ha prodotto il segnale in raggi gamma nel cielo. «Dopo circa sette ore, grazie all’Interplanetary Network, questo evento transiente è stato associato a un intenso e breve brillamento di una magnetar in Ngc 253, più nota come la galassia dello Scultore, che dista dalla Terra circa 11,5 milioni di anni luce», spiega Pietro Ubertini dell’Inaf di Roma, co-autore di uno dei due articoli pubblicati oggi sulla rivista Nature e principal investigator dello strumento Ibis a bordo del satellite Integral dell’Esa. Il gruppo di ricerca ha utilizzato il rivelatore Picsit (Pixellated Imaging Caesium Iodide Telescope) dello strumento Ibis, ideato e realizzato in Italia con il coordinamento dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), per studiare l’evoluzione temporale del lampo. Questo rivelatore, in grado di captare fotoni con energie comprese tra 250 keV e 2 MeV, ovvero tra 100mila e un milione di volte più energetici di quelli della luce visibile, ha una risoluzione temporale di 7,8 millisecondi che lo rende un “cacciatore ideale” per i lampi gamma di breve durata come questo. «Il rivelatore Picsit ha di fatto permesso di rivelare il debole segnale emesso da questa galassia, di ottenere una ottima localizzazione dell’evento e di studiarne le caratteristiche energetiche», continua Ubertini. «Basti pensare che l’enorme emissione iniziale è durata solamente 4 millesimi di secondo, ma sufficiente da essere catturata da Integral e quindi associare la direzione di arrivo alla magnetar della galassia dello Scultore».

Le magnetar sono stelle di neutroni – quel che resta di stelle poco più massicce del Sole, giunte alla fine del loro ciclo evolutivo – caratterizzate da campi magnetici portentosi, circa un milione di miliardi di volte più intensi rispetto al campo magnetico terrestre. Se ne conoscono una trentina, e le variazioni del loro enorme campo magnetico possono causare accelerazione di particelle con relativa emissione di raggi X per diverse settimane. Rilasci di energia rapidi e intensi come questo – detti superflare, o brillamenti giganti, ed equivalenti a circa 100mila volte l’energia rilasciata dal Sole in un anno – sono molto rari anche per una magnetar. Infatti questo lampo gamma è solo il terzo finora ad essere associato al brillamento gigante di una magnetar, grazie alla rivelazione di oscillazioni quasi periodiche nel dati dello strumento Asim. «Queste caratteristiche rendono i lampi gamma da brillamenti giganti da magnetar del tutto simili agli short gamma-ray burst recentemente identificati come il risultato della fusione di due stelle di neutroni e accompagnati da emissione di onde gravitazionali», aggiunge Angela Bazzano dell’Inaf di Roma, co-autrice dell’articolo pubblicato su Nature. «In questo caso, una rilevazione di potenziali onde gravitazionali associate all’evento non è stata possibile, poiché gli interferometri Ligo e Virgo non erano operativi quando è stato registrato il lampo gamma. Quando questi esperimenti torneranno in funzione, sarà possibile effettuare osservazioni contemporanee, nel contesto dell’astronomia multimessaggera, per comprendere ancora meglio questi oggetti, tra i più massivi e compatti che popolano il nostro universo». Analizzando i dati dello strumento Lat (Large Area Telescope) a bordo del satellite Nasa Fermi, progettato e realizzato con un contributo decisivo dell’Italia, grazie all’Agenzia spaziale italiana, all’Istituto nazionale di fisica nucleare e all’Istituto nazionale di astrofisica, un altro gruppo di ricerca ha studiato la componente più energetica della radiazione proveniente da questo brillamento, presentando i risultati in un altro articolo apparso oggi sulla rivista Nature Astronomy. Si tratta di tre fotoni con energia pari a 480 MeV, 1,3 e 1,7 GeV, ricevuti con un certo ritardo – tra 19 secondi e 4,7 minuti rispetto all’emissione iniziale – ma comunque associati allo stesso evento. «Si tratta dell’unica magnetar che è stata capace di produrre, durante il superflare, tre fotoni gamma di alta energia registrati da Fermi Lat», afferma Patrizia Caraveo, responsabile Inaf per Fermi Lat e co-autrice dell’articolo. «Tre fotoni possono sembrare pochi, ma la posizione ricostruita per ciascuno di loro è compatibile con la galassia e quindi l’associazione è abbastanza convincente da porre interrogativi sul meccanismo di emissione capace di produrre fotoni così energetici nella magnetosfera di una magnetar (o forse lì vicino, visto che i campi magnetici così intensi costringono i raggi gamma a trasformarsi in una coppia elettrone positrone ed è quindi necessario allontanarsi un po’ per incontrare campi magnetici meno intensi). È il caso di dire pochi ma buoni». Queste informazioni hanno permesso di ricostruire la geometria dell’evento, non dissimile dal “siluro fotonico” della serie di fantascienza Star Trek. Mentre la magnetar si muove nello spazio, la parte frontale del suo campo magnetico va a sbattere contro il gas interstellare, che viene rallentato e si accumula, formando un’onda d’urto. Quando la radiazione e le altre particelle energetiche del brillamento rilasciato dalla magnetar raggiungono questa onda d’urto, la radiazione passa per prima, dando origine alla prima parte del lampo gamma ricevuto dai diversi satelliti; pochi secondi dopo, le particelle si scontrano con il gas nell’onda d’urto e vengono accelerate da questa interazione, producendo i raggi gamma a più alta energia registrati poco dopo da Fermi Lat. Media Inaf

C’è una strana stella in Cassiopea

L’evoluzione di una stella è il risultato della continua lotta tra la forza di gravità, che attira la massa verso il collasso, e l’energia sprigionata dalle reazioni nucleari che la ostacolano. In genere, quando una stella esaurisce il carburante e non ha più materiale a sufficienza per le reazioni nucleari, i suoi strati esterni cadono sul nucleo, vi rimbalzano e si diffondono nello spazio interstellare andando a formare una nebulosa. Ciò che resta del nucleo prende il nome di nana bianca, un nucleo stellare nudo in cui il collasso gravitazionale è contrastato a livello subatomico da forze legate alle leggi della meccanica quantistica.Anche queste forze hanno però i loro limiti: se la massa supera un certo valore, il cosiddetto limite di Chandrasekhar pari a 1,44 volte la massa del Sole, il collasso prosegue fino alla formazione di una stella di neutroni. La faccenda si complica se le nane bianche sono due: orbitando una attorno all’altra emettono onde gravitazionali, perdendo energia orbitale e riducendo sempre più la loro distanza. Quando infine avviene la collisione possono fondersi in maniera distruttiva attraverso una supernova oppure dare origine a una stella di neutroni. Di recente, però, è stato ipotizzato che ci sia anche la possibilità, per alcuni tipi di nane bianche a base di carbonio e ossigeno, di formare un nuovo oggetto stellare con la massa superiore al limite di Chandrasekhar. Un’ipotesi che finora non era mai stata confermata in maniera decisa da alcuna osservazione. Ed è proprio in questo che sta la peculiarità di J005311, una stella scoperta l’anno scorso che si trova al centro della nebulosa Iras 00500+6713, nella costellazione di Cassiopea. La stella in esame è molto luminosa e ha una particolare emissione ai raggi X, qualcosa che non ci si aspetta da una piccola nana bianca né da una stella di neutroni nata dalla fusione di due nane. Per essere così luminosa, infatti, J005311 dovrebbe essere ben più massiccia del limite di Chandrasekhar. Inoltre la sua composizione è dominata proprio dal carbonio e dall’ossigeno, cosa che ha portato i ricercatori di quello studio a proporla come candidata per il tipo di oggetto cercato. Utilizzando i dati del telescopio spaziale dell’Esa Xmm-Newton, un team di ricercatori dell’università tedesca di Potsdam, guidato da Lidia Oskinova, ha ora approfondito l’analisi del precedente studio, ottenendo qualche dettaglio in più sulla composizione dello strano oggetto stellare e della nebulosa che lo circonda. Attraverso questi risultati, Oskinova e colleghi hanno determinato che la stella centrale di Iras 00500+6713 potrebbe essersi formata dalla fusione di due nane bianche, una di carbonio e ossigeno e l’altra di neon e ossigeno, dando luogo proprio alla tipologia di oggetto cercato. J005311 non sembra comunque destinata a resistere a lungo: trattandosi di un prodotto instabile della collisione, potrebbe non sopravvivere per più di 10mila anni dalla sua formazione, terminando la sua vita come una supernova. Media Inaf

Le stelle dalle quali discendiamo

Le stelle sono reattori nucleari incredibilmente efficienti, in cui si forma la stragrande maggioranza degli elementi chimici nell’universo. Alcuni di questi elementi, in particolare quelli più pesanti del ferro non possono essere prodotti tramite una “semplice” fusione tra particelle cariche, ma necessitano la presenza di neutroni liberi. Questi ultimi non risentono dell’interazione elettromagnetica e sono quindi più facilmente catturati per creare elementi sempre più pesanti. Nelle stelle, ciò avviene attraverso due processi di cattura neutronica: il processo rapid (processo r) e il processo slow (processo s). Quest’ultimo caratterizza la fase di Ramo asintotico delle giganti (Agb, da Asymptotic Giant Branch) di stelle di piccola massa. Gli strati più esterni di queste stelle sono talmente freddi che il gas può solidificare, formando inizialmente molecole semplici e poi sempre più complesse, per arrivare alla produzione di veri e propri granelli di polvere. Questi “grani” vengono espulsi nel mezzo interstellare e sono successivamente “riciclati” all’interno delle nubi proto-stellari, da cui si formeranno nuove stelle. Ciò è avvenuto anche quando si è formato il nostro Sole: alcuni granelli di polvere, provenienti da stelle evolute parecchi milioni di anni prima, sono stati catturati dai corpi minori del sistema solare in formazione (come asteroidi e comete). Nel corso dei successivi miliardi di anni, questa “polvere di stelle” si è preservata all’interno dei meteoriti, alcuni dei quali sono poi caduti sulla Terra. Tramite tecniche chimiche e di ablazione laser, il materiale solare che costituisce il meteorite può essere rimosso sino ad isolare i singoli grani di materiale extra-solare. Uno dei tipi di polvere stellare più comune è il carburo di silicio (SiC), un materiale che ha svariate applicazioni industriali. «Il carburo di silicio è una molecola semplice formata da un atomo di carbonio ed un atomo di silicio, che può assumere varie forme cristalline», spiega a Media Inaf  Sergio Cristallo dell’Inaf d’Abruzzo, primo autore di uno studio sui grani presolari, pubblicato la settimana scorsa su Astronomy & Astrophysics, che ha messo un po’ di ordine tra le varie teorie presentate sino a oggi. «Come materiale ha svariati utilizzi nell’industria. In particolare viene sfruttato per la sua durezza nei processi di lavorazione abrasiva e per la la fabbricazione di semiconduttori in dispositivi che lavorano ad alta potenza, alta frequenza e alte temperature. Addirittura può essere utilizzato per costruire gli specchi dei telescopi. In astronomia, e in particolare tra la comunità degli astrofisici nucleari, è molto importante perché all’interno della sua struttura cristallina si celano gli elementi pesanti formatisi in stelle evolute prime della formazione del nostro Sole. I grani presolari di SiC sono come “cassette di sicurezza”, rimaste dormienti per miliardi di anni, che aspettano solo di essere aperte per avere informazioni importantissime sull’universo passato». Come già illustrato in un articolo pubblicato su Media Inaf, i grani presolari portano dunque con sé i tratti distintivi della nucleosintesi e dei fenomeni di mescolamento avvenuti nella stella “progenitrice”. Una delle maggiori criticità in questo tipo di studi è la difficoltà nell’identificazione delle caratteristiche fisiche e chimiche delle stelle che hanno prodotto i grani studiati in laboratorio. Ed è ciò che sono riusciti a fare Cristallo e gli altri autori dell’articolo: determinare la distribuzione in massa e il contenuto di metalli (la cosiddetta “metallicità”) delle stelle che hanno “inquinato” il materiale del Sistema solare al momento della sua formazione. La novità del lavoro consiste nell’aver combinato tre tipi diversi di modelli teorici, che operano in contesti astrofisici assai differenti: un modello di evoluzione stellare, un modello di formazione delle polveri e un modello chemo-dinamico di evoluzione chimica della galassia. In particolare, quest’ultimo è in grado di simulare gli spostamenti delle stelle all’interno della galassia (detta “migrazione stellare”), facendo sì che stelle più ricche di metalli si spostino verso la periferia della Via Lattea, dove si trova anche il Sole. La combinazione di massa e metallicità che statisticamente meglio rappresenta le stelle progenitrici dei granuli pre-solari di carburo di silicio è quella di stelle Agb con massa circa doppia rispetto alla massa del Sole e metallicità pari a quella solare. Inoltre, i modelli teorici sviluppati per lo studio sono anche in grado di riprodurre la distribuzione delle grandezze dei grani di carburo di silicio, che spaziano dalle centinaia di nanometri a qualche micron. Media Inaf

La magnetar della Volpetta

Per oltre un decennio, il fenomeno dei lampi radio veloci (Frb, dall’inglese fast radio burst) ha emozionato e disorientato gli astronomi. Questi lampi di onde radio straordinariamente luminosi ma estremamente brevi – della durata di pochi millisecondi – raggiungono la Terra da galassie distanti miliardi di anni luce. Almeno questo è quello che si pensava fino all’aprile 2020, quando una di queste esplosioni è stata rilevata per la prima volta all’interno della nostra galassia, la Via Lattea, dai radiotelescopi Chime e Stare2. Il lampo inaspettato è stato ricondotto a una sorgente nota, a soli 25mila anni luce dalla Terra nella costellazione della Volpetta, e scienziati di tutto il mondo hanno coordinato i loro sforzi per seguire la scoperta. A maggio, un team di scienziati guidato da Franz Kirsten, della Chalmers University of Technology, ha puntato quattro dei migliori radiotelescopi europei verso la sorgente incriminata, nota come Sgr 1935+2154. I loro risultati sono stati pubblicati ieri sulla rivista Nature Astronomy. «Non sapevamo cosa aspettarci. I nostri radiotelescopi raramente erano stati in grado di vedere lampi radio veloci e questa sorgente sembrava essere qualcosa di completamente nuovo», ricorda Mark Snelders, membro del team dell’Anton Pannekoek Institute for Astronomy, Università di Amsterdam. I quattro radiotelescopi – uno nei Paesi Bassi, uno in Polonia e due presso l’Osservatorio spaziale Onsala in Svezia – dopo la scoperta del primo lampo, hanno monitorato la sorgente ogni notte, per più di quattro settimane, per un totale di 522 ore di osservazione. Finché la sera del 24 maggio il team ha finalmente avuto la sorpresa tanto cercata. Alle 23:19 ora locale, il telescopio Westerbork nei Paesi Bassi, l’unico del gruppo in quel momento in servizio, ha colto un segnale drastico e inaspettato: due brevi lampi, ciascuno lungo un millisecondo ma distanziati di 1.4 secondi. Kenzie Nimmo, membro del team, commenta così la scoperta: «Abbiamo visto chiaramente due raffiche, estremamente ravvicinate nel tempo. Come il flash visto dalla stessa sorgente il 28 aprile – simile ai lampi radio veloci che avevamo visto dall’universo lontano, solo più debole. Le due esplosioni che abbiamo rilevato il 24 maggio erano ancora più deboli». Gli scienziati pensano si tratti di una nuova, forte evidenza che collega i lampi radio veloci con le magnetar. Come le sorgenti più distanti di lampi radio veloci, anche Sgr 1935+2154 sembra produrre lampi a intervalli casuali e su un enorme intervallo di luminosità. «I lampi più luminosi di questa magnetar sono almeno dieci milioni di volte più luminosi di quelli più deboli. Ci siamo chiesti se questo può essere vero anche per sorgenti di lampi radio veloci al di fuori della nostra galassia. Se così fosse, allora le magnetar nell’universo stanno creando fasci di onde radio che potrebbero continuamente incrociare il cosmo – e molti di questi potrebbero essere alla portata di telescopi di piccole dimensioni come il nostro», ipotizza il membro del team Jason Hessels. Le stelle di neutroni sono i resti piccoli ma estremamente densi lasciati da stelle morenti di massa pari a circa otto volte la massa del Sole, quando esplodono come un supernove. Per 50 anni gli astronomi hanno studiato queste stelle di neutroni (o pulsar) che con la regolarità di un orologio svizzero emettono impulsi di onde radio e altre radiazioni. Si ritiene che tutte le pulsar abbiano forti campi magnetici, ma le magnetar sono i magneti più potenti conosciuti nell’universo, caratterizzate da campi magnetici centinaia di migliaia di miliardi di volte più forte di quello del Sole. Il team intende continuare a monitorare Sgr 1935+2154 e altre magnetar vicine, nella speranza di riuscire a capire come queste stelle estreme producano le loro brevi esplosioni di radiazioni. Gli scienziati hanno presentato molte idee su come vengano prodotti questi lampi radio veloci e Franz Kirsten, astronomo dell’Ossala Space Observatory, Chalmers University of Technology, che ha guidato il progetto, è molto fiducioso del fatto che il ritmo di comprensione della fisica alla base dei lampi radio veloci continui di gran passo: «I fuochi d’artificio di questa fantastica magnetar a noi vicina, ci hanno fornito indizi entusiasmanti su come potrebbero essere generati i lampi radio veloci. Le esplosioni che abbiamo rilevato il 24 maggio potrebbero indicare un drammatico disturbo nella magnetosfera della stella, vicino alla sua superficie. Altre possibili spiegazioni, come onde d’urto più lontane dalla magnetar, sembrano meno probabili, ma sarei lieto di essere smentito. Qualunque siano le risposte, possiamo aspettarci nuove misurazioni e nuove sorprese nei mesi e negli anni a venire». (Media Inaf)

Betelgeuse si avvicina alla Terra

Secondo un nuovo studio condotto da un team internazionale di ricercatori e pubblicato su The Astrophysical Journal, potrebbero trascorrere altri 100mila anni prima che Betelgeuse, la celebre supergigante rossa della costellazione di Orione, termini la sua vita con una grande esplosione. Lo studio, guidato da Meridith Joyce dell’Australian National University (Anu), non solo offre a Betelgeuse una nuova prospettiva di vita, ma mostra quanto questa stella sia più piccola e più vicina alla Terra di quanto si pensasse in precedenza. Joyce ricorda che la supergigante, che da sempre affascina gli scienziati e non solo, ultimamente si è comportata in modo molto strano. «Normalmente Betelgeuse è una delle stelle più luminose del cielo, ma dalla fine del 2019 abbiamo osservato due cali di luminosità», dice Joyce. «Questo ha indotto la speculazione che potesse essere sul punto di esplodere. Ma il nostro studio offre una spiegazione diversa. Sappiamo che nel primo calo di luminosità era coinvolta una nube di polvere. Abbiamo scoperto che il secondo evento, più piccolo, è stato probabilmente dovuto alle pulsazioni della stella stessa». I ricercatori sono stati in grado di utilizzare la modellazione idrodinamica e sismica per saperne di più sulla fisica che guida queste pulsazioni e avere un’idea più chiara della fase della sua vita in cui si trova Betelgeuse. Secondo Shing-Chi Leung dell’Università di Tokyo, coautore dello studio, l’analisi ha confermato che le onde di pressione – essenzialmente onde sonore – sono state la causa della pulsazione di Betelgeuse. «Al momento, nel suo nucleo sta bruciando elio, il che significa che non sta per esplodere», spiega Joyce. «Potremmo dover aspettare circa 100mila anni prima che avvenga un’esplosione». Il coautore László Molnár dell’Osservatorio Konkoly di Budapest, afferma che lo studio ha anche rivelato quanto sia davvero grande Betelgeuse e la sua distanza dalla Terra. «La dimensione fisica effettiva di Betelgeuse è stata un po’ un mistero. Studi precedenti suggerivano che potesse essere più grande dell’orbita di Giove. In base ai nostri risultati, Betelgeuse si estende solo per due terzi di quella dimensione, con un raggio 750 volte il raggio del Sole», riporta Molnár. «Una volta compresa la dimensione fisica della stella, siamo stati in grado di determinare la sua distanza dalla Terra. I nostri risultati mostrano che si trova a soli 530 anni luce da noi, il 25 per cento più vicino di quanto si pensasse». La buona notizia è che Betelgeuse è ancora troppo lontana dalla Terra perché l’eventuale esplosione abbia per noi un impatto significativo. «È ancora molto importante quando una supernova esplode. E questa è la candidata a noi più vicina. Ci dà una rara opportunità di studiare cosa succede a stelle come questa prima che esplodano», conclude Joyce. (Media Inaf)

La gigante rossa Gacrux

Gacrux (γ Cru / γ Crucis / Gamma Crucis) è la terza stella più luminosa della costellazione della Croce del Sud ed è una delle stelle più luminose del cielo. La sua magnitudine apparente è +1,63 e dista 88,6 anni luce dal sistema solare. Gacrux è una gigante rossa di tipo spettrale M3.5III, il cui colore contrasta con quello bianco-azzurro delle altre tre stelle principali che formano la Croce del Sud. La massa della stella non è completamente certa; se Kaylene Murduch e soci nel 1992 la stimano poco più massiccia del Sole (1,3 M⊙), altri studi, come quelli del professor Jim Kaler, la stimano essere di massa tripla rispetto a quella solare, tuttavia anche K. Ohnaka nel 2015 stima la massa non molto superiore a quella solare, del 50% circa, dopo osservazioni effettuate con lo spettrometro VISIR montato sul Very Large Telescope dell’Osservatorio del Paranal[2]. Ha una luminosità, tenendo conto della radiazione infrarossa che emette una stella così fredda (3400 K), di 1500 volte quella solare, con un raggio 113 volte superiore; se Gacrux fosse al posto del Sole, la sua superficie arriverebbe a meno della metà della distanza Terra-Sole. Nata come una stella di classe B, Gacrux si è evoluta uscendo dalla sequenza principale per trasformarsi in una gigante rossa, passando alla fase della combustione dell’elio. In un futuro relativamente vicino terminerà la sua esistenza di stella normale trasformandosi in una piccola e densa nana bianca. È inoltre una variabile semiregolare con un periodo di circa 90 giorni, anche se sono stati osservati periodi più o meno lunghi e non chiaramente definiti. Gacrux è anche una binaria ottica; la compagna è di magnitudine apparente +6.4, di tipo spettrale A3, è in un angolo di 25 ” con un angolo di posizione di 128 gradi dalla stella principale e può essere osservata con il binocolo. Tuttavia questa stella non ha legami gravitazionali con la principale, in quanto si trova ad una distanza notevolmente superiore, a circa 400 anni luce dalla Terra. Un ipotetico osservatore situato dalle parti di questa stella di classe A, guardando in direzione di Gacrux e del Sole, vedrebbe a sua volta come una doppia ottica la coppia di stelle apparentemente vicine formata dal Sole e da Gacrux stessa.

Quando una stella come Betelgeuse muore

Ultimamente Betelgeuse è stata decisamente al centro dell’attenzione dei media per via dell’importante diminuzione della sua luminosità, che ha lasciato sperare in un rapido avvicinamento al termine della sua vita. E quando una stella come lei – con una massa di oltre 10 volte la massa del Sole – muore, lo fa in modo spettacolare. La luminosità di questa stella recentemente era scesa al valore più basso degli ultimi cento anni, e molti appassionati di spazio si sono entusiasmati al pensiero che Betelgeuse potesse presto esplodere in una supernova, diventando visibile anche alla luce del giorno. In realtà, si è visto che dal 20 febbraio la sua luminosità sta iniziando ad aumentare nuovamente. Era già successo che la sua luminosità diminuisse ma il minimo di questa volta è stato proprio basso, rispetto ai precedenti, e il calo è risultato evidente perfino a occhio nudo. Mentre la famosa stella nella spalla di Orione probabilmente scomparirà entro i prossimi milioni di anni – che è l’equivalente di un paio di giorni nel tempo cosmico – gli scienziati sostengono che la sua attenuazione sia dovuta al fatto che la stella stia pulsando. Il fenomeno è relativamente comune tra le supergiganti rosse, il gruppo al quale appartiene  Betelgeuse. Gli astronomi di Uc Santa Barbara hanno già pronte le previsioni sulla luminosità della supernova prodotta quando una stella pulsante come Betelgeuse esploderà. Jared Goldberg, ricercatore alla National Science Foundation, ha pubblicato uno studio con Lars Bildsten, direttore del Kavli Institute for Theoretical Physics (Kitp) e Bill Paxton, membro del Kitp, che spiega in dettaglio come la pulsazione della stella influenzerà la sua esplosione. L’articolo è stato pubblicato su The Astrophysical Journal. «Volevamo sapere come apparirebbe una stella che esplodesse in diverse fasi della sua pulsazione», dice Goldberg. «I precedenti modelli sono più semplici perché non includono gli effetti dipendenti dalla pulsazione nel tempo». Quando una stella delle dimensioni di Betelgeuse, al termine della sua vita, esaurisce il “combustibile” presente nel suo nucleo, perde la pressione di radiazione che normalmente contrasta la forza gravitazionale, impedendole di crollare sotto il suo immenso peso. Il conseguente collasso del nucleo avviene in mezzo secondo, molto più velocemente di quanto la superficie della stella e gli strati esterni vengano allontanati nello spazio, gonfiandosi attorno a ciò che rimane della gigante. Quando il nucleo di ferro collassa, gli atomi si dissociano in elettroni e protoni. Questi si combinano per formare neutroni e nel processo rilasciano particelle ad alta energia chiamate neutrini. Normalmente, i neutrini interagiscono pochissimo con la materia – ogni secondo, 100mila miliardi di neutrini attraversano il nostro corpo senza che avvenga una collisione. Le supernove sono tra i fenomeni più potenti dell’universo. I numeri e le energie dei neutrini prodotti nel collasso del nucleo sono così immensi che anche se solo una piccola frazione si scontrasse con il materiale stellare, sarebbe più che sufficiente per generare un’onda d’urto in grado di far esplodere la stella. Quell’esplosione andrebbe a colpire gli strati più esterni della stella con un’energia stupefacente, creando un bagliore capace di eclissare, anche se per poco, un’intera galassia. L’oggetto rimarrebbe brillante per circa 100 giorni, poiché la radiazione riuscirebbe a propagarsi verso di noi solo quando l’idrogeno ionizzato si ricombina con elettroni liberi, per tornare ad essere neutro. Questo procede dall’esterno verso l’interno, nel senso che gli astronomi riescono a vedere a profondità maggiori nella supernova col passare del tempo. A quel punto, tutto ciò che rimarrebbe sarebbe il debole bagliore del fallout radioattivo, in grado di continuare a brillare per anni. Le caratteristiche di una supernova variano con la massa della stella, l’energia totale dell’esplosione e, soprattutto, il suo raggio. Ciò significa che la pulsazione di Betelgeuse rende più complicata la previsione di come esploderà. I ricercatori hanno scoperto che se l’intera stella pulsasse all’unisono – inspirando ed espirando, diciamo –  la supernova si comporterebbe come se Betelgeuse fosse una stella “statica” con un certo raggio. Tuttavia, diversi strati della stella potrebbero oscillare in modo opposto: gli strati esterni si potrebbero espandere mentre gli strati centrali si stanno contraendo, e viceversa. Nel caso di una pulsazione semplice, il modello ha prodotto risultati simili ai modelli che non hanno tenuto conto della pulsazione stessa. «Appare come una supernova generata da una stella più o meno grande, a seconda dei diversi punti della pulsazione», spiega Goldberg. «È quando si iniziano a considerare pulsazioni più complicate, nelle quali c’è materia che si muove contemporaneamente verso l’interno e verso l’esterno, che le cose cambiano e il nostro modello prevede evidenti differenze». In questi casi, i ricercatori hanno scoperto che quando la luce fuoriesce da strati di esplosione progressivamente più profondi, le emissioni sembrerebbero essere il risultato di supernove di stelle di dimensioni diverse. «La luce proveniente dalle parti della stella che si stanno comprimendo è più debole», aggiunge Goldberg, «proprio come ci aspetteremmo da una stella più compatta e non pulsante». Al contrario, la luce proveniente dalle parti della stella che si stavano espandendo in quel momento sembrerebbe più luminosa, come se provenisse da una stella più grande e non pulsante. I risultati delle simulazioni eseguite specificamente su Betelgeuse verranno presentati da Goldberg, Andy Howell e Evan Bauer a Research Notes, la rivista della American Astronomical Society. Oltre a questo, Goldberg sta anche lavorando con Benny Tsang al confronto di diverse tecniche di trasferimento radiativo nelle supernove e con Daichi Hiramatsu al confronto tra modelli teorici di esplosione e osservazioni di supernova.

di Maura Sandri (Media Inaf)

Magnetar a 6.6 miliardi di anni luce

L’11 aprile 2019, un team internazionale di scienziati guidato da Xue Yongquan dell’University of Science and Technology( Ustc) ha annunciato di aver osservato un segnale a raggi X molto probabilmente generato da una magnetar, una stella di neutroni caratterizzata da un enorme campo magnetico. Gli scienziati del team ritengono che il segnale osservato sia stato generato dalla fusione di due stelle di neutroni distanti da noi 6.6 miliardi di anni luce. Il segnale è stato catturato nel corso della 7-Ms Chandra Deep Field-South, la survey X più profonda e sensibile mai realizzata. La scoperta è stata pubblicata su Nature. Le stelle di neutroni sono sicuramente tra gli oggetti più affascinanti dell’universo. Immaginate di avere una massa pari a quella del nostro Sole concentrata in un oggetto il cui raggio è di soli 10 chilometri, invece dei 700mila chilometri della nostra stella. Nonostante siano chiare alcune caratteristiche di queste stelle, la comprensione della fisica che le governa è ancora abbastanza confusa. Una delle domande alle quali gli astronomi hanno sempre cercato di dare una risposta è quale sia la fine di un sistema binario di stelle di neutroni. Molti ricercatori ritengono che dalla fusione di due stelle di neutroni si generi un buco nero. Altri credono invece che si formi una magnetar: una stella di neutroni che ruota molto velocemente, con un campo magnetico estremamente forte, la cui intensità è cento milioni di volte superiore a quella che possiamo ottenere in laboratorio. Secondo questi scienziati, la magnetar formata in seguito al processo di fusione sarebbe in grado di sopravvivere alla propria gravità, grazie alla sua potente forza centrifuga. Dopo anni di discussioni su quale teoria fosse la più convincente, finalmente l’universo ha svelato la sua risposta, permettendoci di rivelare la prova dell’esistenza di una magnetar. Quando due stelle di neutroni “si abbracciano”, vengono emesse onde gravitazionali e una massiccia nube di detriti che si generano dalla collisione. Sotto la spinta gravitazionale della magnetar, parte dei detriti cade verso l’interno provocando scosse, che causano a loro volta getti di particelle ad alta energia e radiazioni molto intense. Se il getto è orientato nella nostra direzione, si osserveranno esplosioni energetiche note come lampi di raggi gamma corti, con una durata tipica inferiore ai 2 secondi, assunte per decenni come evidenza dell’avvenuta fusione di stelle di neutroni. Nel frattempo, ha fatto il suo esordio un transiente a raggi X isotropo. Ora, se dal processo di fusione di due stelle di neutroni si formasse una magnetar, questo transiente durerebbe diverse ore e potrebbe essere visto fuori dall’asse del getto. Pertanto, anche senza la presenza di alcun lampo di raggi gamma, un transiente X potrebbe darci preziose informazioni sul sistema di fusione di stelle di neutroni. Al contrario, se il transitorio X fosse alimentato da un buco nero, brillerebbe solo per pochi secondi. Un tale transitorio a raggi X, auspicato per lungo tempo dai teorici, non è mai stato rilevato… fino ad oggi. Il segnale scoperto si trova in una galassia distante 6.6 miliardi di anni luce dalla Terra, è durato ben 7 ore e parrebbe indicare che dalla fusione di due stelle di neutroni potrebbe essersi formata, appunto, una magnetar. È interessante notare che il transiente a raggi X osservato si trova nella periferia della sua galassia ospite, come di solito fanno i sistemi binari di stelle di neutroni, che solitamente vengono allontanati dalle zone centrali in seguito a esplosioni di supernova. Questa potrebbe costituire una prova a sostegno del fatto che il transiente a raggi X sia effettivamente alimentato dalla fusione di stelle di neutroni. Nel frattempo, i ricercatori hanno anche calcolato la densità di frequenza di simili eventi transienti e il risultato è coerente con la densità di frequenza degli eventi di fusione delle stelle di neutroni, dedotta dal rilevamento delle onde gravitazionali dalla fusione di stelle di neutroni nel 2017. Questa scoperta ha profonde implicazioni per l’equazione di stato della materia nucleare estremamente densa: l’equazione di stato delle stelle di neutroni potrebbe essere sufficientemente forte – con la pressione che aumenta bruscamente all’aumentare della densità della materia – da far sì che una magnetar supermassiccia o ancora stabile sia in grado di sopravvivere alla fusione delle due stelle di neutroni. La scoperta aiuta inoltre a escludere una serie di modelli teorici di materia nucleare che risultano incoerenti con le osservazioni, fornendo così nuove informazioni sulla fisica delle stelle di neutroni. (INAF)

Mai viste due nane bianche danzare così veloci

È una scoperta da record, quella di Ztf J1530+5027. È la binaria a eclisse con il più breve periodo orbitale osservato finora: una coppia di nane bianche che girano attorno al condiviso centro di massa in soli 6.91 minuti. Queste due stelle orbitano l’una attorno all’altra talmente vicine che potrebbero essere contenute entrambe entro il diametro di Saturno. La scoperta è frutto di una sinergia tra il Palomar Observatory del California Institute of Technology (Caltech) e il Kitt Peak National Observatory nei pressi di Tucson, Arizona, della National Science Foundation (Nsf). Ogni notte la Zwicky Transient Facility (Ztf) usa il telescopio da 1.2 metri del Palomar Observatory per compiere una scansione del cielo e notare ogni piccola variazione nella posizione o nella luminosità degli oggetti osservati. Se si scopre una sorgente interessante, la si riosserva con lo strumento Kitt Peak Electron Multiplying Demonstrator (Kped), usato con il telescopio da 2.1 metri del Kitt Peak National Observatory. Kped è stato studiato per misurare con alte velocità e sensibilità le variazioni di luminosità delle sorgenti celesti. Strumento ideale, dunque, per osservare le binarie a eclisse, una coppia di oggetti che ruotano uno attorno all’altro e che si eclissano a vicenda. La loro luminosità diminuisce ogni volta che una della due compagne passa davanti all’altra lungo la linea di vista. «Quando la stella più debole passa davanti a quella più luminosa, blocca la maggior parte della luce, dando luogo a quella variazione di luminosità periodica di circa sette minuti che vediamo nei dati Ztf», spiega Kevin Burdge, del Caltech, primo autore dell’articolo che riporta la scoperta oggi sulla rivista Nature. Due stelle compatte che girano una attorno all’altra così strettamente e velocemente sono destinate a spiraleggiare fino alla fusione, perdendo energia nel processo, sotto forma di onde gravitazionali, così come previsto dalla relatività generale. J1539 è una binaria talmente stretta che si riesce a misurare una sensibile diminuzione del periodo orbitale in pochi anni. Il team di Burdge è stato in grado di confermare la riduzione dell’orbita prevista dalla teoria, confrontando i loro nuovi risultati con i dati di archiviazione acquisiti negli ultimi dieci anni. L’interesse per J1539 è particolarmente acceso in vista della futura missione Esa-Nasa Laser interferometer space antenna (Lisa), il primo osservatorio spaziale per la rivelazione delle onde gravitazionali. Lisa sarà in grado di rivelare onde gravitazionali a frequenze più basse di quanto facciano gli interferometri terrestri, come quelli della collaborazione Ligo-Virgo. Questo significa che potrà rivelare onde gravitazionali generate da coppie di nane bianche, come appunto J1539 , e non solo da coppie di oggetti massicci – buchi neri e stelle di neutroni – come avvenuto finora. La frequenza di 4.8 mHz di J1539 è anzi proprio vicina al picco di sensibilità di Lisa, rendendola dunque il candidato ideale per le future osservazioni. Per quanto sensazionale, la binaria scoperta è solo una delle attuali 10 milioni di sorgenti della survey Ztf, progetto destinato a ottenere dati probabilmente per miliardi di oggetti. «Solo pochi mesi dopo la sua attivazione, gli astronomi Ztf hanno rilevato nane bianche che si orbitano a vicenda a un ritmo record», ricorda Anne Kinney, vicedirettrice della Nsf per le scienze matematiche e fisiche. «È una scoperta che migliorerà notevolmente la nostra comprensione di questi sistemi, ed è un assaggio di sorprese a venire». (INAF)

L’origine degli elementi pesanti

La maggior parte del plutonio presente sulla Terra viene sintetizzato artificialmente nei reattori nucleari. A lungo si è pensato che non fosse prodotto anche in natura, ma poi ne sono state osservate tracce, sia sulla Terra che nella nostra Galassia, in quantità che non è possibile spiegare, considerata la rarità degli eventi cosmici che sono in grado di produrlo.
In una lettera pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Physics, un team di scienziati dell’Università Ebraica di Gerusalemme suggerisce una soluzione al mistero dell’eccesso di plutonio galattico.
«L’origine degli elementi pesanti prodotti in natura attraverso la cattura rapida di neutroni (chiamatoprocesso r) da parte dei nuclei pesanti è uno dei misteri attuali della nucleosintesi», ha dichiarato il Dr.Kenta Hotokezaka, che insieme al Prof. Zvi Piran e il Prof. Michael Paul dell’Istituto di Fisica Racahdell’Università Ebraica ha condotto lo studio.
Il plutonio è un elemento radioattivo, il suo isotopo più longevo è il plutonio-244 con una vita media di 120 milioni di anni. Il fatto che sia possibile rilevare il plutonio-244 in natura implica che l’elemento viene sintetizzato in fenomeni astrofisici recenti, in termini di scale temporali galattiche, e quindi la fonte che l’ha prodotto non deve trovarsi troppo lontana da noi.
Molti anni fa si è scoperto che il sistema solare conteneva una notevole quantità di plutonio-244. Considerando la breve durata del suo ciclo di vita, il plutonio-244 che esisteva quando la Terra si è formata, più di 4 miliardi di anni fa, è decaduto da tempo, ma sono stati osservati gli elementi prodotti dal suo decadimento.
Misure recenti del deposito di plutonio-244, inclusa l’analisi dei detriti galattici presenti nei fondali marini, suggeriscono che la quantità di plutonio che ha raggiunto la terra dallo spazio nel corso degli ultimi 100 milioni di anni sia molto piccola. Questo risultato è in forte contraddizione con le quantità di plutonio presenti durante la formazione del sistema solare.
Il team di scienziati dell’Università Ebraica ha dimostrato che questo enigma si può spiegare se la fonte di plutonio radioattivo (così come altri elementi rari, come oro e uranio) è rappresentata dalla fusione di stelle di neutroni in sistemi binari. Queste fusioni sono estremamente rare, ma le stime indicano che sono in grado di produrre grandi quantità di elementi pesanti.
Nello studio si propone che una di queste fusioni sia avvenuta accidentalmente nelle vicinanze del sistema solare, meno di cento milioni di anni prima che questo si formasse. In questo modo è possibile riprodurre le quantità di plutonio-244 osservate. D’altra parte, la quantità ridotta di plutonio-244 che oggi raggiunge Terra dallo spazio si può semplicemente spiegare con la rarità di questi eventi.
di Elisa Nichelli (INAF)

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