Turbolenze, ipernovae e lampi gamma

Una simulazione di brevissima durata, appena 10 millisecondi, realizzata con uno dei supercomputer più potenti del mondo, relativa al collasso gravitazionale di una stella massiva in una stella di neutroni, dimostra come questi eventi catastrofici, spesso chiamati ipernovae, possano generare enormi e potenti campi magnetici che portano all’esplosione della stella e all’emissione di raggi gamma visibili a grandi distanze nello spazio cosmico. I risultati di questo studio, riportati su Nature, suggeriscono che quando una stella ruotante collassa, essa inizia a ruotare ancora più velocemente trascinandosi il suo campo magnetico, formando così una dinamo stellare che amplifica l’intensità del campo magnetico di milioni di miliardi di volte superiore rispetto a quello solare. Un campo magnetico di tale intensità è sufficiente a focalizzare e ad accelerare il gas lungo l’asse di rotazione della stella, creando due getti che si proiettano nello spazio in direzioni opposte, producendo raggi gamma energetici. La dinamo, si sa, rappresenta storicamente il primo generatore elettrico. Nel caso della dinamo stellare, le correnti elettriche si generano quando il campo magnetico si muove nello spazio, mentre aumenta la sua intensità, secondo un processo che produce una sorta di ciclo che alla fine dà luogo alla formazione di mostruosi campi magnetici. «Una dinamo rappresenta la strada che permette alle strutture magnetiche di piccole dimensioni, presenti all’interno di una stella massiva, di essere convertite in strutture decisamente più grandi, necessarie per produrre una ipernova e lampi gamma di lunga durata», spiega Philipp Mösta della University of Californaia a Berkeley e autore principale dello studio. «Ciò dà il via al processo e nonostante era stato ipotizzato per via teorica, oggi possiamo finalmente osservarlo». La chiave di questo successo proviene da una simulazione numerica estremamente dettagliata, una di quelle che richiede la capacità di 130 mila computer, collegati in parallelo, che operano per due settimane: stiamo parlando di Blue Waters, uno dei supercomputer più potenti del mondo, localizzato presso il National Center for Supercomputing Applications dell’University of Illinois a Urbana-Champaign. I ricercatori come Mösta stanno tentando di affinare i loro modelli per descrivere ancora meglio cosa accade alle stelle quando essere raggiungono le fasi finali del loro ciclo vitale. L’obiettivo è quello di spiegare particolari fenomeni astrofisici, come i lampi gamma e le ipernovae che hanno mediamente una luminosità 10 volte superiore rispetto alle supernovae, e capire come alcuni degli elementi più pesanti vengono prodotti. «Ora abbiamo il primo modello pilota che ci permette di ricavare preziosi indizi su come si formano gli elementi pesanti a seguito di queste potenti esplosioni stellari», dice Eliot Quataert dell’University of California a Berkeley, che non ha partecipato allo studio. «La novità che emerge dal lavoro di Mösta è che si parte da un campo magnetico relativamente debole e viene mostrato come esso evolve nel tempo fino a diventare molto potente e coerente su larga scala, cioè dello stesso tipo che di solito viene assunto quando si costruiscono modelli per descrivere i lampi gamma», aggiunge Quataert. I lampi gamma sono così brevi ed energetici (quelli più lunghi durano circa 100 secondi) che sono stati osservati per la prima volta nel 1967 dai satelliti che stavano cercando evidenze di alcuni test nucleari. La maggior parte di essi si trovano a miliardi di anni luce nelle galassie distanti perciò il fatto che li osserviamo vuol dire che si tratta di eventi che sono decisamente tra i più luminosi dell’Universo. Le osservazioni degli ultimi 50 anni hanno portato gli astronomi ad ipotizzare che i “lampi” sono prodotti durante l’esplosione di stelle massicce, cioè oggetti che hanno 25 volte, o più, la massa del Sole, anche se i dettagli di come tali eventi sono in grado di focalizzare i getti di raggi gamma rimane ancora un problema da affrontare. Questa classe di esplosioni stellari viene tipicamente definita comesupernovae di tipo Ic (a righe larghe). «Si ritiene che i getti, focalizzati dai campi magnetici estremamente potenti, siano necessari per alimentare queste esplosioni stellari», fa notare Mösta. «Ma uno degli anelli mancanti è quello di capire come fa il campo magnetico di una stella normale, come il Sole, ad essere amplificato fino a un quadrilione di volte». Una possibilità è che l’energia immagazzinata nella rotazione della stella collassata possa essere convertita in energia magnetica. In più, questi forti campi magnetici possono essere cruciali per accelerare le particelle cariche a velocità ed energie tali da generare raggi gamma. «Ci aspettiamo solo una minima percentuale di stelle che ruotino abbastanza rapidamente prima di collassare per spiegare il caratteristico periodo mostrato dalle pulsar che è dell’ordine dei millisecondi», dice Christian Ott del California Institute of Technology e co-autore dello studio. «Ma se una stella ruota molto velocemente, allora deve possedere una enorme quantità di energia immagazzinata nella rotazione. Il problema è quello di comprendere come questa energia viene estratta e quindi trasferita nell’esplosione». Il processo che porta ad una supernova da collasso-nucleare si ha quando la fusione dell’idrogeno presente nel nucleo, che alimenta le stelle durante la maggior parte della loro vita, si arresta una volta che tutto l’idrogeno viene esaurito e perciò la stella inizia a fondere l’elio e poi il carbonio e l’ossigeno. Alla fine, quando la stella fonde tutti questi elementi in ferro, la fusione si blocca completamente e la pressione che si esercita sul nucleo della stella non può più bilanciare il suo “peso”, ossia la gravità dovuta agli strati più esterni. Dunque, in appena un secondo, la regione interna della stella, il cui raggio si estende fino a circa 1500 chilometri, collassa in una stella di neutroni, che ha un diametro di circa 10-15 chilometri e che contiene una massa di 1,4 masse solari. Questo processo crea un’onda d’urto che si propaga verso l’esterno, attraversando gli strati più esterni della stella. Man mano che la stella collassa, diventando una stella di neutroni, essa aumenta la sua velocità di rotazione, come una pattinatrice che chiudendo le braccia piroetta sempre più velocemente. Ora, i teorici hanno tentato di spiegare come stelle massicce e ruotanti generino forti campi magnetici dopo che esse hanno collassato a seguito di un processo denominato instabilità magnetorotazionale: in altre parole, gli strati della stella ruotano a velocità diverse, creando unaturbolenza che trasforma il campo magnetico in un insieme di “flussi magnetici canalizzati” che si estendono per chilometri, un po’ come le strutture magnetiche che emergono dalla superficie del Sole. La domanda è: può questo processo generare campi magnetici su scale ancora più grandi, necessari per determinare l’esplosione della stella? «Ciò che abbiamo realizzato per la prima volta», dice Mösta, «sono delle simulazioni globali che hanno una risoluzione estremamente elevata e ci mostrano come in realtà si può creare un gigantesco campo magnetico partendo da uno puramente turbolento. Inoltre, le simulazioni fanno vedere che il meccanismo che forma le magnetar, una stella di neutroni che possiede un campo magnetico estremamente potente, può essere alla base di una particolare classe di supernovae molto luminose». Quataert paragona il processo a quello di una piccola turbolenza che si genera nell’atmosfera terrestre per poi evolvere e trasformarsi in un uragano. Insomma, Mösta e colleghi hanno trovato che la chiave per spiegare questo processo presente in una stella di neutroni che ruota molto rapidamente è una particolare zona che si estende per circa 15-35 chilometri dalla stella, dove cioè i differenti strati ruotano con velocità diverse, causando così una turbolenza abbastanza grande da creare sostanzialmente una dinamo. Lo scienziato sta ora lavorando ad una serie di simulazioni che comprendono un intervallo temporale dell’evoluzione stellare superiore a 10 millisecondi dopo il collasso gravitazionale, cioè la fase successiva al cosiddetto “rimbalzo”, in modo da comprendere ancora meglio come la materia che collassa e quella che viene espulsa nello spazio interagiscono con il campo magnetico.
di Corrado Ruscica (INAF)

La Via Lattea dell’Universo primordiale

Una nuova simulazione numerica creata da alcuni astrofisici del McWilliams Center for Cosmology presso la Carnegie Mellon University (CMU) e dalla University of California a Berkeley mostra, per la prima volta, che le grandi galassie a disco, un po’ come la nostra galassia, sarebbero state presenti durante le fasi primordiali della storia cosmica. Gli scienziati hanno trovato che 500 milioni di anni dopo il Big Bang l’Universo doveva essere più ordinato e strutturato di quanto si pensasse. Questi risultati, che appariranno sull’Astrophysical Journal Letters, aiuteranno i ricercatori ad utilizzare i telescopi di nuova generazione, come WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) e JWST (James Webb Space Telescope) verso la ricerca di prove sull’esistenza di queste strutture galattiche primordiali. «Ho una certa soggezione a pensare che galassie come la Via Lattea sono esistite quando l’Universo era ancora giovane», spiega Tiziana Di Matteo della CMU e co-autrice dello studio. «C’è da dire che le osservazioni più profonde realizzate con il telescopio spaziale Hubble hanno coperto solamente piccoli volumi di spazio e hanno permesso di trovare un certo numero di galassie irregolari e ammassate presenti durante le epoche primordiali. Non è poi così sorprendente che in queste regioni limitate dello spazio alcune delle galassie più piccole non abbiano morfologie regolari come le grandi galassie a disco. Analogamente, anche le simulazioni numeriche sono state limitate in termini di scala spaziale per cui è stato possibile fare solo delle previsioni per quelle galassie primordiali più piccole». Di Matteo e il collega Rupert Croft della CMU, altro co-autore dello studio, si sono sempre occupati di “cosmologia virtuale” e hanno costruito alcune delle simulazioni più grandi che siano mai state realizzate. La loro attuale simulazione, chiamata BlueTides, è 100 volte più grande rispetto alle precedenti. La simulazione è così enorme che ha monopolizzato tutta la memoria del supercomputer BlueWater della National Science Foundation (NSF) e sono stati necessari quasi 1 milione di CPU per completarla. Di Matteo, Croft e il loro ex studente Yu Feng, ora ricercatore post-doc alla University of California a Berkely e autore principale dello studio, hanno costruito la simulazione partendo dai vincoli previsti dalla teoria della materia oscura fredda, l’attuale modello cosmologico standard che tenta di spiegare cosa sia accaduto all’Universo subito dopo il Big Bang. Una volta completata la simulazione, i ricercatori hanno analizzato i dati per vedere i risultati, un po’ come i cosmologi osservativi farebbero dopo aver raccolto i dati da un telescopio. La sorpresa è stata quella di trovare un certo numero di galassie a disco appena 500 milioni di anni dopo il Big Bang. Dato che le galassie sono strutture molto grandi e complesse, è opinione comune che esse dovrebbero impiegare molto tempo per formarsi perciò sarebbero rare, se esistessero davvero, nell’Universo primordiale. «Dal punto di vista teorico, pensiamo che quando l’Universo aveva un’età di circa 500 milioni di anni esso doveva essere un luogo alquanto caotico e disordinato», dice Croft. «Le nostre simulazioni hanno invece mostrato che l’Universo delle origini è stato tutt’altro che questo e potrebbe aver contenuto galassie spettacolari e alquanto simmetriche, come la nostra Via Lattea». Inoltre, sempre a partire dalle simulazioni, gli scienziati sono stati in grado di ricavare una serie di parametri relativi alla luminosità, dimensioni angolari, morfologia, colori e numero atteso delle galassie. Quando i telescopi come WFIRST e JWST saranno operativi, sarà possibile dare la caccia a quegli oggetti per verificare se essi descrivono la simulazione BlueTides. Se i risultati delle osservazioni e della simulazione saranno confrontabili potremo affermare di aver ottenuto delle “prove” a favore della teoria della materia oscura fredda. «Stiamo vivendo davvero un momento emozionante nell’ambito della ricerca in cosmologia. Prima, non eravamo in grado di studiare le galassie a disco primordiali con i telescopi perchè le galassie sono troppo deboli e rare. Inoltre, non eravamo in grado di studiarle al computer perchè nessun computer era in grado di soddisfare a queste esigenze. Ora abbiamo la tecnologia per far questo per cui siamo in grado di realizzare le simulazioni grazie ai potenti super computer. Il passo successivo sarà quindi quello di utilizzare i telescopi moderni come WFIRST per eseguire le osservazioni», conclude Di Matteo.
di Corrado Ruscica (INAF)