L’universo? Quasi un laboratorio di particelle

Explosion on a neutron star
L'esplosione di una stella di neutroni
23 Gennaio 2008

INTERVISTA 2-2008. Nella vasta zoologia del cosmo, le stelle di neutroni occupano certamente un ruolo di primo piano nella categoria dei “mostri”. Si tratta infatti di sorgenti celesti dalle caratteristiche straordinarie, sulle quali negli ultimi anni il telescopio spaziale dell’ESA XMM-Newton ci ha svelato più di un dettaglio sorprendente.

Che cosa è una stella di neutroni?

Una stella di neutroni è quel che resta di una stella nata e vissuta con una massa di oltre otto-dieci masse solari. Alla fine della sua vita, la stella esplode ed espelle nello spazio circostante la maggior parte della materia di cui è costituita, lasciando un residuo di dimensioni incredibilmente piccole, dell’ordine di qualche decina di chilometri, che contiene però una massa equivalente a circa due stelle come il Sole.

Se si tiene conto che il diametro del Sole è oggi di circa un milione e quattrocentomila chilometri, si inizia ad avere un’idea di quanto compatte debbano essere queste strutture: è come se tutto quel che vediamo nell’arco di un chilometro venisse compresso in una sferetta di circa mezzo centimetro di diametro. È chiaro che la materia di cui sono formate le stelle di neutroni deve avere una densità elevatissima, del tutto al di fuori della nostra portata esperienziale.

In effetti è possibile dimostrare che la densità media di materia in questi “resti di stella” è paragonabile addirittura a quella del nucleo atomico. Per avere un’idea: una moneta da un euro fatta di materia come quella di cui sono costituite le stelle di neutroni avrebbe una massa di circa 80 milioni di tonnellate, che equivalgono a circa 16 milioni di elefanti africani. Si consideri che sulla Terra, secondo l’International Fund for Animal Welfare, gli elefanti sono meno di mezzo milione.

XMM-Newton
XMM-Newton

Ma di che cosa sono costituite le stelle di neutroni?

La prima ipotesi circa l’esistenza delle stelle di neutroni risale al 1933, quando fu proposta da due astrofisici, Walter Baade e Fritz Zwicky, sulla scia della scoperta del neutrone, l’anno precedente. La motivazione profonda si basa su valutazioni teoriche, legate alle condizioni di compressione di una struttura nella quale siano spente le reazioni termonucleari tipiche di una stella ordinaria.

Oggi si suppone che una stella di neutroni abbia una superficie di materia ordinaria, spessa appena un metro. Al di sotto si troverebbe una crosta solida spessa un paio di chilometri, composta da nuclei atomici con un numero di neutroni sempre maggiore. Proseguendo verso l’interno si troverebbe un nucleo “liquido”, costituito da nuclei atomici, elettroni e neutroni quantisticamente degeneri. È uno stato della materia veramente straordinario, che nella fantascienza viene indicato come “neutronio”.

In anni recenti, le osservazioni hanno mostrato che le stelle di neutroni avevano masse maggiori di quanto atteso e raggi ancora più piccoli, di appena 6 chilometri. Questo faceva pensare che quelle strutture non fossero costituite da neutroni, ma che i neutroni si fossero ulteriormente scissi nei loro componenti elementari, i quarks. Le stelle di neutroni, o almeno alcune di esse, potrebbero essere, secondo queste teorie, i soli luoghi conosciuti dell’universo in cui si trovano quarks liberi, cioè non interni a protoni e neutroni. Con le sue ultime osservazioni, invece, XMM-Newton tende a riportare le cose allo stato originale: i neutroni potrebbero essere la componente fondamentale del nucleo delle stelle di neutroni.

The Crab Nebula
La Nebulosa del Granchio

Quindi le stelle di neutroni sono “cadaveri di stelle”. Ma perché possono essere osservate nei raggi X?

Faccio un esempio fra i più studiati e noti. La Nebulosa del Granchio, nella costellazione del Toro, ospita il residuo di una supernova esplosa nel 1054 d.C.. Si trova a circa a circa 6000 anni-luce dalla Terra. Oggi, circa 1000 anni dopo, osserviamo che il gas espulso nell’esplosione si è esteso per circa 3 anni-luce, muovendosi dunque a una velocità molto elevata, intorno ai 1000 km/s.

La Nebulosa del Granchio emette luce in tutte le bande dello spettro elettromagnetico, a tutte le energie: nel visibile, nel radio, nei raggi X, nei raggi gamma, nell’infrarosso. Questo è possibile solo perché i responsabili delle emissioni sono elettroni che vengono prodotti – in qualche modo non ancora del tutto noto – da una stella di neutroni, che ruota intorno al proprio asse con una velocità elevatissima, dotata di un intensissimo campo magnetico.

Il campo magnetico determina un rallentamento della rotazione stessa, che si estingue nel giro di una decina di milioni di anni, facendo perdere energia alla stella. L’energia persa dalla stella di neutroni permette di accelerare gli elettroni responsabili della radiazione. Una stella di neutroni che ruota come quella della Nebulosa del Granchio, e che è dotata di un campo magnetico così elevato, è detta pulsar.

Le stelle di neutroni, pulsar, possono ''rubare'' gas ad un'altra stella

In un certo senso, si può dire allora che le stelle di neutroni hanno una seconda vita come pulsar. Sono dei veri mostri, quindi?

Molto più di quanto non si pensi. Oggi ne conosciamo qualche migliaio solo nella nostra galassia, ma siamo certi che le stelle di neutroni siano molte di più, dell’ordine di qualche miliardo. Ma la storia non finisce qui: alcune stelle di neutroni possono persino permettersi il lusso di scegliere una seconda vita alternativa.

Una stella di neutroni può infatti far parte di un sistema binario, cioè un sistema di due stelle che sono legate dalla forza di gravità. È una condizione molto più frequente di quanto non si pensi: due stelle che orbitano una intorno all’altra, eventualmente a grande distanza. Ma il caso che ci interessa di più è quello di un sistema binario stretto, in cui la distanza fra una stella di neutroni e una stella ordinaria è relativamente piccola, diciamo dell’ordine della distanza fra Terra e Sole.

Quando accade, e non è raro, l’attrazione gravitazionale della stella di neutroni ruba il gas della stella ordinaria. Il gas cade sulla stella di neutroni e si riscalda, fino ad emettere raggi X. Questa seconda vita nella quale la stella di neutroni succhia gas alla compagna, come un vampiro, durerà fino a quando ci sarà abbastanza gas disponibile. Un comportamento da vero mostro celeste, insomma.

Le interviste

Dal maggio 2000, con cadenza settimanale, RAI NEWS 24 - canale televisivo digitale della RAI dedicato all'aggiornamento in tempo reale - riserva all'ESA uno spazio di approfondimento di 5 minuti: un'intervista su una notizia di attualità legata alle attività nello spazio.

I servizi vengono ritrasmessi ulteriormente su RAI International e RAI 3. Si va dagli approfondimenti sulla Stazione Spaziale Internazionale, alle scoperte scientifiche dei satelliti dedicati all'astronomia, alle applicazioni concrete legate alle osservazioni della Terra dallo spazio.

I giornalisti della Rai, Lorenzo di Las Plassas, Stefano Masi, Marco Dedola si alternano nel discutere con il giornalista scientifico che collabora con l'ESA, Stefano Sandrelli, per dare un'idea dell'argomento e per approfondirne un aspetto, in modo che, leggendo di seguito le interviste relative a uno stesso settore se ne abbia uno spaccato sempre più ampio, venendo a conoscenza di cose sempre nuove.

Per ulteriori informazioni, rivolgersi a: Franca.Morgia@esa.int.

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