4 Febbraio 2024
18:21

Le stelle di neutroni: cosa sono, come si formano e come si osservano

Le stelle di neutroni sono il prodotto finale dell'esplosione in supernova di stelle supergiganti e sono tra gli oggetti più densi dell'universo.

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Le stelle di neutroni: cosa sono, come si formano e come si osservano
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Credits: ESO/L. Calçada, CC BY–SA 4.0, via Wikimedia Commons.

Le stelle di neutroni sono ciò che rimane al termine della vita di una stella di grande massa, dopo la sua esplosione come supernova. Anche se si chiamano “stelle”, non sono in realtà stelle (al loro interno non avvengono reazioni termonucleari) ma cadaveri stellari estremamente densi.

Cosa sono le stelle di neutroni e perché si chiamano così

Le stelle di neutroni sono ciò che resta dall'esplosione in supernova di stelle di massa compresa tra le 8-10 e le 25 volte la massa solare. Hanno masse maggiori di quella del Sole compresse in una sfera di raggio circa 10 km: per questo sono tra gli oggetti più densi nell'universo, tanto che un cucchiaino della materia di cui sono fatte peserebbe tanto quanto il monte Everest. Si chiamano “stelle di neutroni” perché sono composte (quasi) esclusivamente da neutroni.

Come si forma una stella di neutroni

Nel corso della vita di una stella, all'interno del nucleo avvengono reazioni di fusione nucleare di elementi chimici via via più pesanti. Le stelle passano la maggior parte della propria vita nella fase di sequenza principale dove fondono atomi di idrogeno in atomi di elio. Una volta che tutto l'idrogeno si è esaurito, la temperatura e la pressione nel nucleo delle stelle aumenta fino al punto da innescare la fusione dell'elio in carbonio e ossigeno.

Una volta esaurito anche l'elio, alcune stelle, come il nostro Sole, non hanno massa sufficiente per generare pressioni e temperature che possono innescare la fusione di carbonio e ossigeno, mentre altre, invece, sono abbastanza massicce da far continuare le reazioni di fusione nucleare di elementi via via più pesanti. Anche per queste stelle però il ciclo si interrompe e ciò avviene quando all'interno del nucleo si è formato ferro e nickel. A questo punto le reazioni di fusione nucleare si interrompono, la forza di gravità fa collassare la stella su se stessa e si innesca l'esplosione di supernova.

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La nebulosa del Granchio è il risultato della esplosione di una supernova, lasciando al suo interno una stella di neutroni. Credits: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University).

Questa esplosione espelle tutti gli strati della stella che circondano il nucleo di ferro e nickel. Oltre a generare l'esplosione di supernova, il collasso gravitazionale ha anche un altro effetto: se il nucleo della stella che è esplosa in supernova ha almeno una massa di 1,4 masse solari, la forza di gravità è talmente intensa da far compattare l'oggetto fino alle densità dei nuclei atomici e fondere letteralmente i protoni con gli elettroni a formare neutroni. Ecco che si è formata una stella di neutroni.

La struttura di una stelle di neutroni

I primi a proporre l'esistenza delle stelle di neutroni furono gli astronomi Baade e Zwicky nel 1934, mentre il primo modello che ne descriveva la fisica fu dovuto ad Oppenheimer e Volkoff, fisici a Berkeley nel 1939.

I modelli fisici delle stelle di neutroni ipotizzano che esse siano costituite da una serie di strati a densità crescente. La superficie è fatta di nuclei di ferro che possono trovarsi in uno stato fluido o solido a seconda della temperatura superficiale, con un mare di elettroni che fluiscono attraverso i nuclei atomici. Data la grandissima forza di gravità, la crosta delle stelle di neutroni nella sua fase solida è probabilmente tra gli oggetti solidi più duri presenti nell'universo.

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Rappresentazione artistica della struttura interna di una stella di neutroni. Credits: Robert Schulze, CC BY–SA 3.0, via Wikimedia Commons.

Man mano che si procede verso l'interno della stella di neutroni, all'aumentare della densità, avviene il fenomeno della cattura elettronica, ovvero protoni ed elettroni si fondono a formare i neutroni. Si formano così elementi con un numero molto grande di neutroni che normalmente sulla Terra non sarebbero stabili, ma che in una stella di neutroni sono mantenuti stabili dalle immense pressioni.

Procedendo oltre, i modelli fisici si fanno sempre più incerti poiché le condizioni di pressione e temperatura non sono replicabili in laboratorio, ma ci si deve affidare alle leggi della Meccanica quantistica e della Relatività generale per ipotizzare ciò che avviene. I modelli più recenti indicano prima una regione in cui si ha un fluido privo di viscosità e superconduttivo fatto prevalentemente di neutroni liberi e rimanenti protoni e successivamente una regione ancora più densa in cui la materia assume forme più esotiche, come quelle di un plasma fatto di quark, i costituenti fondamentali di neutroni e protoni.

Le caratteristiche peculiari delle stelle di neutroni

Le stelle di neutroni sono il risultato dell'esplosione in supernova di stelle supergiganti. Esse possono avere una massa che va da 1,4 a 2,2 masse solari. La peculiarità delle stelle di neutroni sta nel fatto che tale massa è compattata dalla forza di gravità in un oggetto avente un raggio di circa 10/15 chilometri. Questo significa, calcolatrice alla mano, che questi oggetti hanno una densità maggiore di quella di un nucleo atomico, tale che un cucchiaino della materia di cui sono fatti ha una massa di 900 volte quella delle grande piramide di Giza.

La grandissima densità genera un campo gravitazionale estremamente intenso, con una accelerazione di gravita che è circa 190 miliardi di volte più forte di quella sulla Terra. Con queste accelerazioni, se lanciassimo un oggetto piccolo come un cubetto di zucchero ad un metro da terra, esso impatterebbe il suolo con la forza di un migliaio di bombe all'idrogeno.

Le stelle di neutroni hanno altre tre caratteristiche che le rendono oggetti peculiari. La prima è che sono oggetti in rapida rotazione. Quest'ultima è causata dal fatto che il collasso gravitazionale del nucleo delle stelle supergiganti durante la fase di supernova avviene così velocemente da conservare il momento angolare e quindi, proprio come una ballerina che ritrae a sé le braccia, il nucleo contraendosi aumenta la sua velocità di rotazione, fino a ruotare su se stessa con un periodo di soli pochi millisecondi. Altre due caratteristiche peculiari delle stelle di neutroni sono gli intensi campi magnetici di cui sono dotate, circa mille miliardi di volte quello del Sole, e le altissime temperature della loro superficie, che vanno dalle decine di miliardi di gradi appena formate al milione per i successivi diecimila anni.

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Schema delle caratteristiche principali di stelle di neutroni, pulsar e magnetar. Credits: NASA/JPL–Caltech.

Alcune tipologie particolari: le pulsar e le magnetar

La maggior parte delle stelle di neutroni appartengono alla sotto classe delle pulsar (pulsating radio sources) che sono stelle di neutroni giovani in rapida rotazione e con un intenso campo magnetico che emettono fasci di radiazione elettromagnetica dai suoi poli magnetici.

La rotazione della stella di neutroni nel proprio campo magnetico genera una corrente elettrica che accelera protoni ed elettroni liberi sulla superficie della stella. Queste cariche elettriche, come accade per le aurore sulla Terra, si muovono lungo il campo magnetico verso i poli magnetici della stella. Nell'essere accelerate emettono radiazione elettromagnetica in corrispondenza dei poli magnetici, che spesso non coincidono con i poli della rotazione della stella. Questo fa si che la pulsar si comporti come una sorta di faro nello spazio, visto che il fascio di radiazione viene visto solo una volta ogni rotazione, cioè quando esso punta verso di noi.

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La rotazione delle pulsar, come un faro in mezzo al mare, genera un segnale radio periodico allorquando i poli della stella puntano in direzione della Terra. Credits: Michael Kramer, CC BY–SA 3.0, via Wikimedia Commons.

Le pulsar note sono all'incirca solo 2000 mentre le stime basate sulla teoria dell'evoluzione stellare ne prevedono l'esistenza di almeno un miliardo nella nostra Galassia dalla sua formazione. Ciò è dovuto al fatto che le pulsar rallentano col tempo la loro rotazione, diminuendo l'intensità del fascio emesso fino a non essere più rilevabili dagli strumenti. Si stima che di tutte le stelle di neutroni nate dall'inizio dell'universo, solo l'1% mostri ancora pulsazione rilevabile.

Le magnetar note sono invece ancora di meno, circa una trentina, poiché oggetti più estremi e rari. Si stima che solo una supernova su 10 degeneri in una magnetar, anziché una stella di neutroni e pulsar, e ciò avviene quando la stella progenitrice possiede già un intenso campo magnetico.

Le magnetar ruotano più lentamente delle pulsar, ma sono dotate di un campo magnetico più intenso, circa 100/1000 volte maggiore, il cui decadimento dà origine all'emissione di radiazione elettromagnetica nelle lunghezze d'onda dei raggi X e gamma. Il campo magnetico è così intenso che sarebbe in grado di smagnetizzare e cancellare le informazioni da tutte le carte di credito sulla distanza ad una distanza pari alla metà di quella Terra-Luna. L'emissione di radiazione dalle magnetar decade col tempo, cessando dopo circa 10.000 anni. Dato il numero osservato oggi, si stima che solo la nostra Galassia contenga circa 30 milioni di magnetar inattive.

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