Le stelle di neutroni sono i resti di stelle massicce dopo che diventano supernova; mentre gli strati esterni della stella esplodono verso l’esterno creando fuochi d’artificio letteralmente su scala cosmica, il nucleo della stella collassa, diventando incredibilmente compresso. Se il nucleo ha abbastanza massa diventerà un buco nero, ma se è timido di quel limite diventerà una palla ultra-densa composta principalmente da neutroni.
Le statistiche delle stelle di neutroni fanno riflettere. Hanno una massa fino a oltre il doppio del Sole, ma la densità di un nucleo atomico: oltre 100 trilioni di grammi per centimetro cubo. È difficile da afferrare, ma pensala in questo modo: se compressi ogni singola auto negli Stati Uniti in una stella di neutroni, otterrai un cubo di 1 centimetro su un lato. La dimensione di una zolletta di zucchero o di un dado a sei lati. Tutta l’umanità compressa in un tale stato sarebbe meno del doppio di quella larghezza.
Le stelle di neutroni hanno una gravità superficiale centinaia di miliardi di volte quella terrestre e campi magnetici ancora più forti. Una stella di neutroni a metà della galassia lontana da noi ha avuto un evento sismico che ci ha fisicamente colpiti qui sulla Terra, a 50.000 anni luce di distanza.
Tutto ciò che riguarda le stelle di neutroni è terrificante. Ma per tutto questo, non siamo ancora esattamente sicuri di quanto siano grandi.
Una stella di neutroni rotante con un potente campo magnetico fruste fino particelle subatomiche intorno ad esso. Opere d’arte di credito: NASA / Swift / Aurore Simonnet, Sonoma State University
Voglio dire, abbiamo un’idea approssimativa, ma il numero esatto è difficile da determinare. Sono troppo piccoli per vedere direttamente, quindi dobbiamo dedurre le loro dimensioni da altre osservazioni, e quelle sono afflitte da incertezze. La loro dimensione dipende anche dalla loro massa. Ma usando osservazioni di raggi X e altre emissioni da stelle di neutroni, gli astronomi hanno scoperto di avere un diametro di 20-30 chilometri. Questo è piccolo, per una massa così enorme! Ma è anche una gamma irritante. Possiamo fare di meglio?
Sì! Un gruppo di scienziati ha affrontato il problema in modo diverso, e sono stati in grado di restringere le dimensioni di queste bestie feroci ma piccoli: Hanno scoperto che, per una stella di neutroni con una massa di 1,4 volte il Sole (in media per tali cose), avrà un diametro di 22,0 chilometri (con un’incertezza di +0,9/-0,6 km). Trovano il loro calcolo è un fattore di due più preciso di qualsiasi altro fatto prima.
Questo è small piccolo. Davvero piccolo. Considererei 22 km un breve giro in bicicletta, anche se per essere onesti farlo su una stella di neutroni sarebbe difficile.
Una stella di neutroni è incredibilmente piccola e densa, imballando la massa del Sole in una palla a pochi chilometri di distanza. Questa opera raffigura uno rispetto a Manhattan. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA
Come hanno avuto questo numero? La fisica che hanno impiegato è in realtà diabolicamente complicata, ma quello che hanno fatto in effetti è stato risolvere l’equazione di stato di una stella di neutroni — le equazioni fisiche che mettono in relazione le caratteristiche di un oggetto come pressione, volume e temperatura — per ottenere quali sarebbero le condizioni per una stella di neutroni modello con la massa fissata a 1,4
Hanno quindi utilizzato quei risultati e li hanno confrontati con le osservazioni di un evento del 2017: una fusione di due stelle di neutroni che ha provocato un’esplosione colossale chiamata kilonova. Questo evento, chiamato GW170817, è stato un enorme momento spartiacque per l’astronomia, perché le stelle di neutroni in collisione hanno emesso potenti onde gravitazionali, scuotendo letteralmente il tessuto dell’Universo. Questo è stato il nostro primo avviso per l’evento, ma poi una grande frazione di telescopi su e sopra la Terra puntava verso la parte del cielo in cui si è trovata la fusione, e ha visto l’esplosione stessa, la kilonova. È stata la prima volta che un evento è stato visto emettere energia elettromagnetica (cioè luce) che è stata vista per la prima volta nelle onde gravitazionali.
Opera d’arte raffigurante il momento di collisione tra due stelle di neutroni. L’esplosione risultante è quite abbastanza grande. Credito: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
Ha anche messo molti vincoli sulle stelle di neutroni che si sono scontrate. Ad esempio, dopo che si sono fusi, hanno emesso la luce in un modo specifico, e si scopre che era incoerente con il resto unito che aveva una massa sufficiente per collassare direttamente in un buco nero. Ciò accade circa 2,4 volte la massa del Sole, quindi sappiamo che le due stelle insieme avevano meno massa di quella. Al contrario, la luce era incoerente con il resto essendo una stella di neutroni ben al di sotto di quel limite. Sembra che una stella di neutroni” ipermassiva ” si sia formata vicino a quel limite, è durata per un tempo molto breve e poi è crollata in un buco nero.
Tutti questi dati erano foraggio per gli scienziati che calcolano la dimensione della stella di neutroni. Confrontando i loro modelli con i dati di GW170817, sono stati in grado di ridurre notevolmente la gamma di dimensioni che aveva senso, azzerando il diametro di 22 km.
Questa dimensione ha implicazioni interessanti. Ad esempio, una cosa che gli scienziati delle onde gravitazionali sperano di vedere è la fusione di un buco nero e una stella di neutroni. Questo sarà sicuramente rilevabile, ma la domanda è emetterà luce che i telescopi più tradizionali possono vedere? Ciò accade quando il materiale della stella di neutroni viene espulso durante la fusione, generando molta luce.
Gli scienziati in questo nuovo lavoro hanno eseguito i numeri e hanno scoperto che per una stella di neutroni di 1,4 masse solari e 22 km di diametro, qualsiasi buco nero più grande di circa 3,4 volte la massa del Sole non espellerebbe alcun materiale! Questa è una massa molto bassa per un buco nero, ed è molto improbabile che vedremo una massa così bassa, specialmente una con una stella di neutroni che può mangiare. Quindi prevedono che questo evento sarà visto solo nelle onde gravitazionali e non nella luce. D’altra parte, questo è solo per i buchi neri non rotanti, e in realtà la maggior parte avrà una rotazione rapida; non è chiaro cosa accadrebbe lì, ma immagino che molte persone eseguiranno di nuovo i loro modelli per vedere cosa possono prevedere.
Avere le dimensioni di una stella di neutroni significa essere in grado di capire meglio cosa succede mentre girano, poiché i loro campi magnetici ridicolmente potenti influenzano il materiale intorno a loro, come accrescono nuovo materiale e cosa succede vicino al limite di massa tra una stella di neutroni e un buco nero. Ancora meglio, come la gente LIGO / Virgo gravitational wave observatory mettere a punto le loro attrezzature si aspettano la loro sensibilità per aumentare, consentendo migliori osservazioni di fusioni stelle di neutroni, che possono poi essere utilizzati per stringere i vincoli di dimensione ancora di più.
Sono stato affascinato dalle stelle di neutroni per tutta la mia vita, e ad essere onesti questo è l’atteggiamento corretto. Sono avanzi di supernove; si scontrano e producono oro, platino, bario e stronzio; sono la centrale elettrica dietro le pulsar; possono generare esplosioni di energia che distruggono la mente; e sono gli oggetti più densi che puoi ancora considerare nell’Universo (l’oggetto fisico all’interno dell’orizzonte degli eventi di un buco nero è per sempre oltre la nostra portata). Voglio dire, dai. Sono fantastici.
E quello sulle dimensioni.