Gli astronomi che studiano le potenti esplosioni chiamate lampi di raggi gamma brevi (GRB) hanno rilevato pattern di luce che indicano la breve esistenza di una stella di neutroni superpesante poco prima che collassasse in un buco nero. Questo oggetto fugace e massiccio probabilmente si è formato a partire dalla collisione di due stelle di neutroni.
“Abbiamo cercato questi segnali in 700 GRB corti rilevati con il Neil Gehrels Swift Observatory della NASA, il Fermi Gamma-ray Space Telescope e il Compton Gamma Ray Observatory,” ha spiegato Cecilia Chirenti, ricercatrice presso l’Università del Maryland, College Park (UMCP), e il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, che ha presentato i risultati al 241° incontro dell’American Astronomical Society a Seattle. “Abbiamo scoperto questi pattern di raggi gamma in due lampi osservati da Compton nei primi anni ’90“.
Lo studio che descrive i risultati, guidato da Chirenti, è stato pubblicato su Nature.
Una stella di neutroni si forma quando il nucleo di una stella massiccia esaurisce il carburante e collassa. Ciò produce un’onda d’urto che spazza via il resto della stella in un’esplosione di supernova. Le stelle di neutroni in genere racchiudono più massa del nostro Sole in una sfera delle dimensioni di una città, ma al di sopra di una certa massa devono collassare in buchi neri.
Sia i dati Compton che le simulazioni al computer hanno rivelato mega stelle di neutroni che inclinano la bilancia del 20% in più rispetto alla stella di neutroni più massiccia conosciuta e misurata con precisione – soprannominata J0740+6620 – che pesa quasi 2,1 volte la massa del Sole. Le stelle di neutroni superpesanti hanno anche quasi il doppio delle dimensioni di una tipica stella di neutroni, o circa il doppio della lunghezza dell’isola di Manhattan.
Le mega stelle di neutroni ruotano quasi 78mila volte al minuto, quasi il doppio della velocità di J1748-2446ad, la pulsar più veloce mai registrata. Questa rapida rotazione supporta brevemente gli oggetti contro un ulteriore collasso, consentendo loro di esistere solo per pochi decimi di secondo, dopodiché procedono a formare un buco nero più velocemente di un battito di ciglia.
“Sappiamo che i GRB corti si formano quando le stelle di neutroni in orbita si scontrano e sappiamo che alla fine collassano in un buco nero, ma la sequenza precisa degli eventi non è ben compresa,” ha affermato Cole Miller, professore di astronomia all’UMCP e co-autore dello studio. “Ad un certo punto, il nascente buco nero genera un’eruzione con un getto di particelle in rapido movimento che emette un intenso lampo di raggi gamma, la forma di luce a più alta energia, e vogliamo saperne di più su come si sviluppa“.
I GRB corti in genere sono luminosi per meno di due secondi, ma rilasciano energia paragonabile a quella emessa da tutte le stelle della nostra galassia in un anno. Possono essere rilevati a più di un miliardo di anni luce di distanza. La fusione di stelle di neutroni produce anche onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo che possono essere rilevate da un numero crescente di osservatori terrestri.
Le simulazioni al computer di queste fusioni mostrano che le onde gravitazionali sono caratterizzate da un improvviso salto di frequenza – superiore a 1.000 hertz – mentre le stelle di neutroni si uniscono. Questi segnali sono troppo veloci e deboli per essere rilevati dagli osservatori di onde gravitazionali esistenti. Chirenti e il suo team, però, hanno pensato che segnali simili potessero apparire nell’emissione di raggi gamma da GRB corti.
Rianalizzando le emissioni di raggi gamma catturate tra il 1991 e il 2000 dal telescopio spaziale Compton i ricercatori sono riusciti a identificare le tracce di alcune fusioni tra stelle di neutroni in cui è stato possibile osservare gli ultimi istanti. Una sorta di ultima danza in cui le stelle di neutroni hanno accelerato fino a 78mila rotazioni al secondo ed emesso raggi gamma fino a scomparire improvvisamente perché divenute buchi neri, da cui nessuna radiazione riesce più a sfuggire.
“Questi risultati sono molto importanti in quanto preparano il terreno per future misurazioni di stelle di neutroni ipermassicci da parte di osservatori di onde gravitazionali,” ha affermato Chryssa Kouveliotou, presidente del dipartimento di fisica della George Washington University di Washington, che non è stata coinvolta nel lavoro.
Entro il 2030, i rilevatori di onde gravitazionali saranno sensibili alle frequenze dei kilohertz, fornendo nuove intuizioni sulla breve vita delle stelle di neutroni sovradimensionate. Fino ad allora, le osservazioni sensibili dei raggi gamma e le simulazioni al computer rimangono gli unici strumenti disponibili per esplorarli.
