stelle di neutroni

STELLE DI NEUTRONI
Una stella di neutroni è una stella compatta in cui il peso della stella è sopportato dalla pressione di
neutroni liberi. È una cosiddetta stella degenerata. Il neutrone è una particella elementare, e uno dei
costituenti del nucleo atomico. I neutroni sono così chiamati perché sono elettricamente neutri, e a
differenza dei protoni possono essere uniti a formare enormi "nuclei", fino a diverse volte la massa
del Sole. Le stelle di neutroni sono state il primo importante oggetto astronomico ad essere prima
predetto teoricamente (nel 1933), e in seguito scoperto (nel 1968 come pulsar).
Le stelle di neutroni hanno una massa simile a quella del Sole. Ma il loro raggio è dell'ordine di
10 km, cioè 70.000 volte più piccolo del Sole. La loro massa è perciò impacchettata in un volume
1014 volte più piccolo, e la densità media è quindi 1014 volte più alta. Questi valori di densità sono i
più alti conosciuti, e sono impossibili da riprodurre in laboratorio: per dare un'idea delle condizioni
estreme di una stella di neutroni, per riprodurre la densità osservata occorrerebbe comprimere una
portaerei nello spazio occupato da un granello di sabbia. Si tratta di una densità simile a quella dei
nuclei atomici, ma estesa per decine di chilometri. In effetti, le stelle di neutroni possono essere
considerate nuclei atomici giganti, tenuti insieme dalla forza gravitazionale.
A causa dell'altissima densità e delle piccole dimensioni, una stella di neutroni possiede un campo
gravitazionale superficiale cento miliardi (1011) di volte più forte di quello della Terra. Una delle
misure di un campo gravitazionale è la sua velocità di fuga, cioè la velocità che un oggetto deve
avere per potergli sfuggire. Sulla superficie terrestre essa vale 11 km/s, mentre per una stella di
neutroni si aggira intorno ai 100.000 km/s, cioè un terzo della velocità della luce. Allo stesso modo,
un oggetto lasciato cadere sulla superficie di una stella di neutroni colpirà la stella con una velocità
di 100.000 km/s.
Una tipica stella di neutroni ha un
diametro di 20 chilometri, ha una
massa minima di 1,5 volte quella
del Sole, e una massima di 3 volte
quella del Sole. La loro rotazione è
spesso molto rapida: la maggior
parte delle stelle di neutroni ruota
con periodi da 1 a 30 secondi, ma
esistono alcune che arrivano a
pochi millesimi di secondo.
La materia alla loro superficie è
composta da nuclei ordinari, più
elettroni ionizzati. Cominciando a
scendere, si incontrano nuclei con
quantità sempre più elevate di
neutroni. Questi nuclei
decaderebbero rapidamente in
condizioni normali, ma sono tenuti stabili dall'enorme pressione. Ancora più in profondità, si trova
una soglia sotto la quale i neutroni liberi si separano dai nuclei e hanno un'esistenza indipendente.
In questa regione si trovano nuclei, elettroni liberi, e neutroni liberi. I nuclei diventano sempre di
meno andando verso il centro, mentre la percentuale di neutroni aumenta. La natura esatta della
materia superdensa che si trova al centro non è ancora ben compresa. Alcuni ricercatori si
riferiscono ad essa come ad una sostanza teorica, il neutronio. Potrebbe essere una mistura
superfluida di neutroni con tracce di protoni ed elettroni, potrebbero essere presenti particelle di alta
energia come pioni e kaoni, e altri speculano di materia composta da quark subatomici. Finora le
osservazioni non hanno né confermato né escluso questi stati "esotici" della materia.
Nel 1932, Sir James Chadwick scoprì il neutrone, una nuova particella elementare che gli valse il
premio Nobel del 1935. Nel 1933 Walter Baade e Fritz Zwicky proposero l'esistenza di stelle
interamente composte di neutroni, dopo un solo anno dalla scoperta di Chadwick. Cercando una
spiegazione per le origini delle supernovae, proposero che queste producessero delle stelle di
neutroni. Baade e Zwicky proposero correttamente che le supernovae sono alimentate dall'energia
di legame gravitazionale della stella di neutroni in formazione: "Nel processo della supernova la
massa viene annichilata". Se per esempio le parti centrali di una stella massiccia, prima del collasso,
ammontano a 3 masse solari, allora si potrebbe formare una stella di neutroni di 2 masse solari.
L'energia di legame di una tale stella di neutroni è equivalente, quando espressa in unità di massa
usando la famosa equazione E=mc²,ad 1 massa solare. È in ultima analisi questa energia che
alimenta la supernova.
Una stella di neutroni isolata, senza alcuna materia attorno ad essa, è praticamente invisibile: la sua
altissima temperatura la porta ad emettere un po' di radiazione visibile, ultravioletta, X e gamma,
ma data la sua piccolezza la luce emessa è molto poca e, a distanze astronomiche, non rilevabile. Se
però la stella di neutroni ha una compagna, questa può cederle massa. Oppure la stella di neutroni
può "alimentarsi" da materia presente nei dintorni, se per esempio sta attraversando una nube di gas.
In tutti questi casi la stella di neutroni può manifestarsi sotto varie forme:
•
•
•
Pulsar - termine generico per una stella di neutroni che emette impulsi direzionali di
radiazione verso di noi, grazie al suo fortissimo campo magnetico e alla sua radiazione.
Funzionano più o meno come un faro rotante.
burster a raggi X - una stella di neutroni con una compagna binaria di piccola massa, dalla
quale estrae materia che va a cadere sulla sua superficie. La materia che cade acquista
un'enorme energia, ed è irregolarmente visibile.
Magnetar - un tipo di ripetitore gamma soft che ha un campo magnetico molto, molto
potente.
Le stelle di neutroni ruotano in modo molto rapido dopo la loro creazione, a causa della legge di
conservazione del momento angolare: come una pattinatrice che accelera la sua rotazione chiudendo
le braccia, la lenta rotazione della stella originale accelera mentre collassa. Una stella di neutroni
appena nata può ruotare molte volte al. A volte, quando hanno una compagna binaria e possono
ricevere da essa nuova materia, la loro rotazione accelera fino a migliaia di volte al secondo,
distorcendo la loro forma sferica in un ellissoide, vincendo il loro fortissimo campo gravitazionale
(tali stelle di neutroni, in genere scoperte come pulsar, sono chiamate pulsar ultrarapide).
Col tempo, le stelle di neutroni rallentano perché i loro campi magnetici rotanti irradiano energia
verso l'esterno. Le stelle di neutroni più vecchie possono impiegare molti secondi o anche minuti
per compiere un giro. Questo effetto è detto frenamento magnetico. Nel caso delle pulsar, il
frenamento magnetico aumenta l'intervallo tra un impulso e un altro.
Il ritmo a cui una stella di neutroni rallenta la propria rotazione è costante e molto lento: i ritmi
osservati sono tra 10-12 e 10-19 secondi al secolo. In altre parole, una stella di neutroni che adesso
ruota in esattamente 1 secondo, tra un secolo ruoterà in 1,000000000001 secondi, se è tra quelle che
rallentano di più: le più giovani, con un campo magnetico più forte. Le stelle di neutroni con un
campo magnetico più debole hanno anche un frenamento magnetico meno efficace, e impiegano più
tempo per rallentare. Queste differenze infime sono comunque misurabili con grande precisione
dagli orologi atomici, sui quali ogni osservatore di pulsar si sincronizza.
Le stelle di neutroni hanno un campo magnetico molto intenso, circa 100 miliardi di volte più
intenso di quello terrestre. La materia in arrivo viene letteralmente incanalata lungo le linee di
campo magnetico. Gli elettroni viaggiano allontanandosi dalla stella, ruotando attorno ad essa in
modo sincrono, finché non raggiungono il punto in cui sarebbero costretti a superare la velocità
della luce per continuare a ruotare con essa. A questa distanza, l'elettrone si deve fermare, e rilascia
un po' della sua energia cinetica come raggi X e raggi gamma. Gli osservatori esterni vedono questa
radiazione quando osservano il polo magnetico. Poiché questo ruota velocemente insieme alla
stella, gli osservatori vedono in realtà degli impulsi periodici. Tale fenomeno è detto pulsar.
Quando le pulsar vennero scoperte la prima volta, si pensò che potessero essere emissioni da parte
di extraterrestri: dopotutto, nessun
fenomeno naturale conosciuto a quel
tempo poteva spiegare degli impulsi
così regolari! Ci volle poco, però, per
arrivare alla corretta interpretazione.
Esiste un altro tipo di stella di
neutroni, conosciuto come magnetar
(contrazione di magnetic e star). Esse
hanno campi magnetici ancora più
forti, dell'ordine di 1014 gauss o più,
abbastanza da cancellare una carta di
credito dalla distanza del Sole.
Una pulsar, nome che stava
originariamente per sorgente radio pulsante, è una stella di neutroni rapidamente rotante, la cui
radiazione elettromagnetica in coni ristretti è osservata come impulsi emessi ad intervalli
estremamente regolari.
Le pulsar furono scoperte da Jocelyn Bell e Antony Hewish nel 1967, mentre stavano usando un
array radio per studiare la scintillazione delle quasar. Trovarono invece un segnale molto regolare,
consistente di un impulso di radiazione ogni pochi secondi. L'origine terrestre del segnale fu
esclusa, perché il tempo che l'oggetto impiegava ad apparire era in sincronia con il giorno siderale
invece che con il giorno solare.
Negli anni '80, fu scoperta una nuova categoria di pulsar: le pulsar superveloci, o pulsar
millisecondo che, come indica il loro nome, hanno un periodo di pochi millisecondi invece che di
secondi o più.
Nel 2004 viene individuata la prima "pulsar doppia" ovvero due stelle pulsar che orbitano una
attorno all'altra, in un sistema binario. La scoperta è opera di un gruppo di ricercatori internazionali,
a cui partecipano anche italiani dell'Università di Cagliari, dell'Università di Bologna e dell'Istituto
Nazionale di Astrofisica (INAF).
In quest'ultimo caso, la grandissima precisione degli impulsi ha permesso agli astronomi di
calcolare la perdita di energia orbitale del sistema, si pensa dovuta all'emissione di onde
gravitazionali. L'esatto ammontare di questa perdita di energia è in buon accordo con le equazioni
della Relatività generale di Einstein.
Immagine composta ottica/raggi X della Pulsar del Granchio
Il modello di pulsar generalmente accettato, e raramente messo in discussione, spiega le
osservazioni con un fascio di radiazioni che punta nella nostra direzione una volta per ogni
rotazione della stella di neutroni. L'origine del fascio rotante è legato al disallineamento tra l'asse di
rotazione e l'asse del campo magnetico della pulsar, analogamente a quanto si osserva sulla Terra. Il
fascio è emesso dai poli magnetici della pulsar, che possono essere separati dai poli di rotazione di
un angolo anche ampio. Questo angolo rende il comportamento dei fasci simile a quello di un faro.
La sorgente di energia dei fasci è l'energia rotazionale della stella di neutroni, la quale rallenta
lentamente la propria rotazione per alimentare i fasci.
Le pulsar millisecondo sono state probabilmente accelerate dal momento angolare posseduto da
materia esterna caduta su di esse, proveniente da una vicina stella compagna in un sistema binario
mediante il meccanismo del trasferimento di massa. Anche le pulsar millisecondo, però, rallentano
costantemente la propria rotazione.
L'osservazione di glitch è di interesse per lo studio dello stato della materia nelle stelle di neutroni.
Un glitch è un improvviso aumento della velocità di rotazione (che viene osservato come
un'improvvisa riduzione dell'intervallo tra gli impulsi). Per lungo tempo si è creduto che tali glitch
derivassero da "stellamoti" dovuti ad aggiustamenti della crosta superficiale della stella di neutroni.
Oggi esistono anche modelli alternativi, che spiegano i glitch come improvvisi fenomeni di
superconduttività dell'interno della stella. La causa esatta dei glitch non è al momento conosciuta.
Nel 2003, le osservazioni della pulsar della Nebulosa del Granchio ha rivelato "sotto-impulsi",
sovrapposti al segnale principale, con una durata di pochi nanosecondi. Si pensa che impulsi così
stretti possano essere emessi da regioni della superficie della pulsar con un diametro massimo di 60
centimetri, rendendo queste regioni le più piccole strutture mai misurate all'esterno del Sistema
Solare.
Importanza
Commons contiene file multimediali
su Pulsar.
La scoperta delle pulsar ha confermato l'esistenza di stati della materia prima solo ipotizzati,
appunto la stella di neutroni, e impossibili da riprodurre in laboratorio a causa delle alte energie
necessarie, gravitazionali e non. Questo tipo di oggetto è l'unico in cui è possibile osservare il
comportamento della materia a densità nucleari, anche se solo indirettamente. Inoltre, le pulsar
millisecondo hanno consentito un nuovo test della relatività generale in condizioni di forti campi
gravitazionali.