Rappresentazione di una stella di neutroni. Crediti: Casey Reed, Penn State University
Ricordate l’epico scontro delle due stelle di neutroni che hanno generato le onde gravitazionali osservate il 17 agosto scorso? Questi oggetti sono i nuclei residui dall’esplosione in supernove di due stelle massicce, nonché le stelle più piccole e più dense dell’Universo: pensate che sono così dense che un cucchiaino della loro materia pesa circa un miliardo di tonnellate! Ma quanto misurano realmente? Quanto sono grandi? Un gruppo di ricercatori di base in Finlandia, presso l’Università di Turko, ha deciso di aggiornare i dati sulle misurazioni delle stelle di neutroni utilizzando un metodo che sfrutta le esplosioni termonucleari che avvengono negli strati superiori della stella. Confrontando la radiazione emessa dalle stelle di neutroni con i modelli teorici più avanzati, i ricercatori sono stati in grado di porre dei precisi limiti alle dimensioni della sorgente. Nello specifico il metodo è stato testato sulla sorgente binaria 4U 1702-429 e le analisi suggeriscono che il raggio di una stella di neutroni dovrebbe essere di circa 12,4 chilometri (centimetro più, centimetro meno!).
«Precedenti misurazioni hanno dimostrato che il raggio di una stella di neutroni è di circa 10-16 chilometri», ricorda Joonas Nättilä, primo autore dello studio. Gli esperti sono riusciti, però, a essere ancora più precisi arrivando a circa 12 chilometri con circa 400 metri di margine di errore, o forse 1000 metri se si vuole essere veramente sicuri. «Pertanto», osserva Nättilä, «la nuova misurazione è un chiaro miglioramento rispetto a quella precedente».
Lo studio è utile ai fisici e agli astronomi per capire quali condizioni fisico.nucleari si verificano all’interno del denso ambiente di una stella di neutroni. «La densità della materia di una stella di neutroni è di circa 100 milioni di tonnellate per centimetro cubo. Al momento, le stelle di neutroni sono gli unici oggetti esistenti in natura con i quali è possibile studiare questi tipi di stati estremi della materia», sottolinea uno dei coautori dello studio, Juri Poutanen.
I nuovi risultati sono utili per comprendere il comportamento delle onde gravitazionali recentemente scoperte. Abbiamo dunque chiesto qualche chiarimento in proposito a Paolo D’Avanzo, ricercatore Inaf all’Osservatorio astronomico di Brera alla guida di uno dei gruppi protagonisti della scoperta della “kilonova tutta d’oro” derivata dal merging delle due stelle di neutroni di agosto 2017.
D’Avanzo, a cosa servono misurazioni così precise?
«Le stelle di neutroni racchiudono una massa pari a poco più di quella del Sole (tipicamente 1,4 masse solari, la cosiddetta “massa di Chandrasekhar”) in una regione di soli 10-20 chilometri circa di raggio. Si tratta dunque di oggetti estremamente densi e compatti: sarebbe come avere la massa di tutta l’umanità condensata nel volume di una zolletta di zucchero. Si tratta dunque di un eccellente laboratorio naturale per lo studio della materia in condizioni estreme. Maggiore è la densità, più estreme sono le condizioni alle quali si trova la materia. La densità di un corpo si definisce come il rapporto tra la massa e il volume; il volume dipende dal raggio (minore è il raggio, minore è il volume). Per poter determinare con una certa precisione la densità delle stelle di neutroni (e quindi capire in che condizioni si trova la materia al suo interno) è dunque necessario poter misurare con altrettanta precisione sia la massa che il raggio di questi oggetti così peculiari».
Gli esperti in questione hanno sfruttato delle esplosioni termonucleari per arrivare al risultato. Mi può spiegare meglio?
«Si tratta dei cosiddetti “type I X-ray burst” (esplosioni di “tipo I”), che si osservano nelle stelle di neutroni che si trovano in sistemi binari. Tali sistemi sono costituiti da una stella di neutroni e una stella “normale” (tipicamente di massa poco inferiore a quella del Sole) che orbitano una intorno all’altra. Se le due stelle sono sufficientemente vicine l’una all’altra, allora la gravità della stella di neutroni è in grado di “strappare” materia alla stella compagna. Materia che va a depositarsi sulla superficie della stella di neutroni. Man mano che questa materia si accumula, la temperatura aumenta fino a raggiungere un valore critico (dell’ordine di milioni di gradi) in grado di innescare una esplosione termonucleare, che è in grado di riscaldare l’intera superficie della stella di neutroni. Modellando l’emissione termica osservata da questi burst con una funzione teorica detta “di corpo nero” è possibile misurare il raggio della stella di neutroni».
I dati raccolti vanno ad aggiungersi a quelli raccolti da lei e dai suoi colleghi sulla epica collisione di due stelle di neutroni che ha portato alla “propagazione” di onde gravitazionali. Quale il futuro in questo campo?
«Anche dallo studio delle proprietà del segnale gravitazionale emesso nella fase di collisione è possibile stimare alcune delle proprietà delle stelle di neutroni, quali per esempio la massa e il raggio. Durante la prossima compagna osservativa (prevista a partire dall’autunno del 2018) è verosimile aspettarsi che gli interferometri statunitensi Ligo e quello italiano Virgo rilevino diversi eventi causati dalla collisione di stelle di neutroni (come quello, finora unico, del 17 agosto scorso) e che per ciascuno di questi eventi sarà possibile avere delle stime più o meno precise di massa e raggio. Allo stesso tempo, è ragionevole pensare che il metodo sviluppato dai ricercatori finlandesi possa essere replicato su altri sistemi binari contenenti stelle di neutroni. La prospettiva è dunque di poter combinare e confrontare misure della stessa quantità fisica (il raggio delle stelle di neutroni, in questo caso) ottenute metodi indipendenti su un un campione sufficientemente ampio di eventi. Un buon esempio di “multi-messenger astronomy”».
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo pubblicato sulla rivista Astronomy and Astrophysics: “Neutron star mass and radius measurements from atmospheric model fits to X-ray burst cooling tail spectra”, di J. Nättilä, M. C. Miller, A. W. Steiner, J. J. E. Kajava, V. F. Suleimanov, J. Poutanen