Questa animazione rappresenta un sistema stellare binario in cui una stella di neutroni massiccia e compatta orbita attorno a una stella più grande simile al Sole. L’intensa gravità di questa stella di neutroni produce significativi effetti di deformazione che distorcono la vista del cielo intorno a essa, come accade intorno ai buchi neri. Crediti: Caltech/R. Hurt (Ipac)
La maggior parte delle stelle nell’universo si presenta in coppia. Il Sole se ne sta per i fatti suoi, ma molte altre stelle come lui orbitano attorno a compagne simili. Esistono anche coppie più esotiche, come quelle composte da buchi neri. Ce n’è una, di coppie, che si è rivelata piuttosto rara: quella che vede una stella simile al Sole insieme a una stella di neutroni. Ora un gruppo internazionale di astronomi guidati da Kareem El-Badry del Caltech ha scoperto quelle che sembrano essere ventuno stelle di neutroni che orbitano in sistemi binari con stelle come il Sole. Ventuno di queste strane e rare coppie.
Le stelle di neutroni sono sfere perfette di densità inimmaginabili, con frequenze di rotazione altissime e temperature e campi magnetici estremamente elevati. Sono tra gli oggetti più affascinanti della fisica, nate dall’ultimo atto della luminosa e frenetica vita di una stella massiccia, nonché dal catastrofico processo che ne rivela la morte: l’esplosione di una supernova.
In questi curiosi sistemi binari, i due oggetti orbitano reciprocamente intorno a un comune centro di massa. Orbitando, le stelle di neutroni attirano verso di sé le compagne, facendole spostare avanti e indietro nel cielo. Queste piccole oscillazioni sono state misurate con grande precisione dalla missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea, rivelando una nuova popolazione di stelle di neutroni oscure.
«Gaia scansiona continuamente il cielo e misura le oscillazioni di oltre un miliardo di stelle, quindi le probabilità di trovare oggetti molto rari sono buone», spiega El-Badry.
Lo studio che raccoglie i risultati di questa scoperta è stato pubblicato su The Open Journal for Astrophysics. I dati provenienti da diversi telescopi a terra – tra cui l’Osservatorio W. M. Keck di Maunakea, nelle Hawaii, l’Osservatorio di La Silla, in Cile, e l’Osservatorio Whipple, in Arizona – sono stati utilizzati per fare un follow-up delle osservazioni di Gaia e conoscere meglio le masse e le orbite delle stelle di neutroni nascoste.
Sebbene in passato siano state rilevate stelle di neutroni in orbita attorno a stelle come il Sole, quei sistemi erano tutti più compatti. Quando la distanza tra questi due corpi è ridotta, la stella di neutroni può sottrarre massa alla sua compagna più leggera. Questo processo di trasferimento di massa fa sì che la stella di neutroni brilli alle lunghezze d’onda dei raggi X o nelle onde radio. Al contrario, le stelle di neutroni oggetto del nuovo studio sono molto più lontane dalle loro compagne, dell’ordine di una o tre volte la distanza tra la Terra e il Sole. Ciò significa che questi “cadaveri stellari” sono troppo lontani dalle loro compagne per rubare loro materia. Sono quiescenti e bui. «Sono le prime stelle di neutroni scoperte solo grazie ai loro effetti gravitazionali», aggiunge El-Badry.
Gli astronomi hanno scoperto 21 stelle come il Sole in orbita attorno a stelle di neutroni. Sebbene le stelle di neutroni siano più pesanti di quelle simili al Sole, i due oggetti orbitano intorno a un comune centro di massa. Le stelle di neutroni fanno oscillare le compagne e Gaia ha rilevato questa oscillazione osservando le orbite delle stelle simili al Sole (punti gialli) per un periodo di tre anni. In questa animazione le stelle simili al Sole sono verdi, mentre le stelle di neutroni (e le loro orbite) sono viola. Crediti: Caltech/Kareem El-Badry
La scoperta è stata un po’ una sorpresa, perché non è chiaro come una stella esplosa finisca accanto a una stella come il Sole, o viceversa. «Non abbiamo ancora un modello completo di come si formano queste binarie», dice El-Badry. «In linea di principio, la progenitrice della stella di neutroni dovrebbe essere diventata enorme e aver interagito con la stella di tipo solare durante la sua ultima fase evolutiva». L’astro, così grande, dovrebbe aver fatto oscillare la piccola stella, probabilmente inghiottendola. In seguito, il progenitore della stella di neutroni dovrebbe essere esploso in una supernova che, secondo i modelli, avrebbe dovuto slegare i sistemi binari, facendo precipitare le stelle di neutroni e le stelle di tipo solare in direzioni opposte. «La scoperta di questi nuovi sistemi dimostra che almeno alcune binarie sopravvivono a questi processi cataclismici, anche se i modelli non sono ancora in grado di spiegarne appieno le modalità».
Gaia è stata in grado di trovare le improbabili compagne grazie alle loro ampie orbite e ai loro lunghi periodi (le stelle simili al Sole orbitano intorno alle stelle di neutroni con periodi compresi tra sei mesi e tre anni). «Se i corpi sono troppo vicini, l’oscillazione sarà troppo piccola per essere rilevata», aggiunge El-Badry. «Con Gaia siamo più sensibili alle orbite più ampie». Gaia è anche più sensibile alle binarie relativamente vicine. La maggior parte dei sistemi appena scoperti si trova entro i tremila anni luce dalla Terra, una distanza relativamente piccola se paragonata, ad esempio, al diametro di centomila anni luce della nostra galassia.
Le nuove osservazioni suggeriscono anche quanto siano rare queste coppie. «Stimiamo che circa una stella di tipo solare su un milione orbiti attorno a una stella di neutroni in un’orbita ampia», dice il ricercatore.
I ricercatori sono anche interessati a trovare buchi neri quiescenti, invisibili, in orbita a stelle simili al Sole. Utilizzando i dati di Gaia, hanno trovato due di questi buchi neri “silenziosi” nascosti nella nostra galassia. Uno, chiamato Gaia Bh1 (scoperto dal primo autore dello studio nel 2022), è il buco nero più vicino alla Terra, a 1.600 anni luce di distanza. «Non sappiamo con certezza nemmeno come si siano formati questi buchi neri binari», conclude El-Badry. «Ci sono chiaramente delle lacune nei nostri modelli di evoluzione delle stelle binarie. Trovare altri compagni oscuri e confrontare le statistiche della loro popolazione con le previsioni di diversi modelli ci aiuterà a capire come si formano».
Per saperne di più:
- Leggi su The Open Journal for Astrophysics l’articolo “A population of neutron star candidates in wide orbits from Gaia astrometry” di Kareem El-Badry, Hans-Walter Rix, David W. Latham, Sahar Shahaf, Tsevi Mazeh, Allyson Bieryla, Lars A. Buchhave, René Andrae, Natsuko Yamaguchi, Howard Isaacson, Andrew W. Howard, Alessandro Savino Ilya V. Ilyin