Le supernove più luminose dell’universo sono alimentate da magnetar appena nate

Un nuovo studio spiega che la prolungata e intensa luminosità di alcune supernove è dovuta a una sfera magnetica rotante di neutroni, la cui esistenza è stata così dimostrata per la prima volta
di Joseph Howlett/Scientific American
Tratto da www.lescienze.it

La morte di ogni stella è drammatica. Ma le supernove superluminose portano la teatralità a un altro livello. All’inizio degli anni duemila, gli scienziati hanno osservato per la prima volta questi cataclismi evidenti, che possono brillare molto più a lungo ed essere più di dieci volte più luminosi di una normale supernova. Da allora, si sono chiesti quale processo fisico spieghi il bagliore eccezionale e persistente di tali supernove. Ora lo sanno. In un articolo pubblicato sulla rivista “Nature”, alcuni astrofisici hanno individuato la vera fonte di una supernova superluminosa: la radiazione emessa da una sfera di neutroni delle dimensioni di una città, appena formata, altamente magnetizzata e in rapida rotazione, una cosiddetta magnetar. Oltre a risolvere il mistero delle supernove superluminose, questo risultato rappresenta per gli scienziati la prima testimonianza in assoluto della nascita di una magnetar. E ciò che ha svelato il mistero è una strana peculiarità della teoria della relatività generale di Einstein.

“È così lontano da qualsiasi cosa abbiamo mai immaginato”, afferma Joseph Farah, ricercatore dell’Università della California a Santa Barbara, che ha condotto lo studio mentre lavorava all’Osservatorio Las Cumbres (LCO). “Sappiamo così poco di questi fenomeni.”

Quello che si sa è che quando una stella massiccia esaurisce il suo combustibile, collassa su se stessa ed esplode, lasciando dietro di sé una nube in espansione di gas radioattivo e detriti che si raffredda lentamente, con un minuscolo residuo stellare al centro. Quando una stella di questo tipo ha una massa da 10 a 25 volte superiore a quella del Sole, quel residuo è solitamente una stella di neutroni. Si tratta dei pezzi di materia più strani del cosmo: un cucchiaio del loro materiale costitutivo pesa quanto il Monte Everest, rendendo le stelle di neutroni i luoghi in cui si verificano alcuni dei fenomeni fisici più estremi che esistano.

Le stelle di neutroni diventano particolarmente estreme quando ruotano rapidamente, emettendo fasci di radiazioni simili a quelli di un faro dai loro poli; gli astronomi chiamano questi oggetti pulsar. E le magnetar sono le più estreme di tutte: la maggior parte di esse sono pulsar appena nate che possiedono campi magnetici fino a mille volte più forti del normale.

Sebbene i teorici avessero già intuito che la nascita tempestosa di una magnetar potesse aiutare a spiegare le supernove superluminose, dimostrarlo si è rivelato difficile. Una potenziale svolta è arrivata alla fine del 2024 con l’eruzione di una nuova supernova superluminosa, SN 2024afav, a circa un miliardo di anni luce dalla Terra. Monitorata per 100 giorni dagli astronomi dell’LCO, la luminosità di SN 2024afav ha subito periodici cali, oscillando avanti e indietro, con intervalli sempre più brevi tra un calo e l’altro nel corso della misurazione.

Farah e i suoi coautori si sono messi al lavoro alla ricerca di spiegazioni per questo specifico modello. Ne hanno trovata solo una che potesse spiegarlo. Quando una magnetar ruota sul proprio asse a una velocità prossima a quella della luce, il suo immenso campo magnetico si contorce, si avvolge e si attorciglia per pompare fuori una potente radiazione. L’energia di questo motore astrofisico fa brillare il gas espulso circostante, aumentando la luminosità e la longevità della supernova.

Ma che cosa ha causato l’aumento e la diminuzione di queste braci stellari? La risposta si riduce al modo in cui la stella morta in rotazione ha trascinato con sé lo spazio e il tempo.

La magnetar era inizialmente circondata da un disco vorticoso di materia, che si incanalava dal suo bordo interno verso il residuo stellare. Il disco era leggermente inclinato rispetto all’asse di rotazione della magnetar e il violento vortice di spazio-tempo che creava faceva ruotare il disco attorno a essa. Da lontano, questa conseguenza della relatività generale, chiamata “precessione di Lense-Thirring”, faceva sembrare l’intero sistema una trottola che oscillava su un tavolo.

Dal punto di vista della Terra, proprio lungo l’equatore della lontana magnetar, il disco oscillante agiva come l’otturatore di un proiettore cinematografico, oscurando periodicamente la nostra vista della stella morta che alimentava SN 2024afav. Con il passare dei giorni e la magnetar che divorava il suo disco, quel toroide di materiale si è ritirato verso l’interno. Ciò ha accelerato l’effetto otturatore, rendendo i cali di luce sempre più frequenti fino a quando il disco è scomparso.

Questa storia delle origini stellari, spiegano gli autori, corrisponde ai dati meglio di qualsiasi altra cosa si possa immaginare: si tratta della prova più certa finora di ciò che sta realmente accadendo al centro di una supernova superluminosa.

“Altre possibili fonti di energia non produrrebbero uno schema simile”, afferma Daniel Kasen dell’Università della California a Berkeley, uno degli astrofisici che per primo ha proposto la spiegazione della magnetar nel 2010. “Una magnetar può agire come un potente motore che accende la supernova dotandola di una luminosità straordinaria.”

La conferma fa delle magnetar un altro laboratorio cosmico per testare la relatività generale.

“Tutto ciò che riguarda il sistema è estremo”, afferma Adam Ingram, astrofisico dell’Università di Newcastle, nel Regno Unito, che ha partecipato alla revisione tra pari dello studio. “Il campo gravitazionale è abbastanza forte da rendere significativi anche gli effetti più esotici previsti dalla relatività generale.”

Il nuovo osservatorio Vera C. Rubin, in Cile, vedrà milioni di supernove nel corso della sua vita, compresi molti altri di questi eventi rari. E ovunque la relatività generale sia visibile nel mondo, afferma Farah, si apre l’opportunità di comprenderla meglio e forse anche di trovare nuove crepe nell’edificio della più grande teoria di Einstein, da cui potrebbero scaturire nuove idee.

“Ciò significa che possiamo testare una delle nostre teorie fondamentali sulla realtà in uno degli ambienti più estremi dell’universo”, ha concluso.