In un nuovo studio la possibile soluzione di uno degli enigmi più significativi relativi alla formazione di una stella di neutroni pesanti, in conseguenza dell’esplosione di una supernova a seguito del collasso del nucleo di una stella molto massiccia che ha perso gran parte o tutto il proprio involucro esterno di idrogeno. Un enigma evidenziato dagli osservatori di onde gravitazionali Ligo e Virgo.
Se infatti la prima rilevazione di onde gravitazionali da parte dell’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) nel 2017 è stata una fusione di stelle di neutroni che si è conformata per lo più alle aspettative degli astrofisici, la seconda rilevazione, quella del 2019, ha evidenziato come la fusione di due stelle di neutroni avesse prodotto una massa combinata inaspettatamente grande.
«Un dato così inatteso che abbiamo dovuto iniziare a pensare a come creare una stella di neutroni pesanti senza farne una pulsar», ha detto Enrico Ramirez-Ruiz, professore di astronomia e astrofisica all’Università della California di Santa Cruz.
Gli oggetti astrofisici compatti come le stelle di neutroni e i buchi neri sono difficili da studiare perché quando sono stabili tendono ad essere invisibili, non emettendo radiazioni rilevabili. «Ciò significa che possiamo osservarle solo parzialmente», ha spiegato Ramirez-Ruiz. «Siamo stati in grado, infatti, di rilevare binarie di stelle di neutroni nella nostra galassia, quando una di esse è una pulsar e le masse delle pulsar sono quasi tutte identiche: ma non siamo in grado di vedere nessuna stella di neutroni pesanti».
Il rilevamento da parte di Ligo di una fusione di stelle di neutroni pesanti a una velocità simile al sistema binario più leggero implica che le coppie di stelle di neutroni pesanti dovrebbero essere relativamente comuni. Allora perché non compaiono nella popolazione di pulsar?
Nel nuovo studio, Ramirez-Ruiz e i suoi colleghi si sono concentrati sulle supernovae in sistemi binari che possono formare “oggetti doppi compatti” costituiti da due stelle di neutroni o da una stella di neutroni e un buco nero. Una supernova detta da stella spogliata, chiamata anche stella dell’elio, è una stella a cui è stato rimosso l’involucro di idrogeno a causa delle sue interazioni con una stella compagna.
«Abbiamo usato modelli stellari dettagliati per seguire l’evoluzione di una stella spogliata fino al momento in cui esplode in una supernova», ha detto Alejandro Vigna-Gomez primo autore dello studio. «Una volta raggiunta l’ora della supernova, facciamo uno studio idrodinamico, in cui siamo interessati a seguire l’evoluzione del gas che esplode».
La stella spogliata, in un sistema binario con una stella compagna di neutroni, è inizialmente dieci volte più massiccia del nostro Sole, ma così densa che è più piccola di esso in diametro. Lo stadio finale della sua evoluzione è una supernova con collasso del nucleo, che lascia dietro di sé una stella di neutroni o un buco nero, a seconda della massa finale del nucleo.
I risultati del team hanno mostrato che quando la stella massiccia spogliata esplode, alcuni dei suoi strati esterni vengono rapidamente espulsi dal sistema binario. Alcuni degli strati interni, tuttavia, non vengono espulsi e alla fine ricadono sull’oggetto compatto appena formato.
«La quantità di materiale accumulato dipende dall’energia dell’esplosione: maggiore è l’energia, minore è la massa che puoi mantenere», ha detto Vigna-Gomez. «Per la nostra stella spogliata di dieci masse solari, se l’energia dell’esplosione è bassa, formerà un buco nero; se l’energia è grande, manterrà meno massa e formerà una stella di neutroni».
Questi risultati non solo spiegano la formazione di sistemi binari di stelle di neutroni pesanti, come quello rivelato dall’evento dell’onda gravitazionale GW190425, ma prevedono anche la formazione di stelle di neutroni e binarie di buchi neri leggeri, come quello che si è fuso nell’onda gravitazionale del 2020 evento onda GW200115.
Un’altra scoperta importante è che la massa del nucleo di elio della stella spogliata è essenziale per determinare la natura delle sue interazioni con la sua compagna di neutroni e il destino finale del sistema binario. Una stella di elio sufficientemente massiccia può evitare di trasferire massa sulla stella di neutroni. Con una stella di elio meno massiccia, tuttavia, il processo di trasferimento di massa può trasformare la stella di neutroni in una pulsar in rapida rotazione.
«Quando il nucleo di elio è piccolo, si espande e quindi il trasferimento di massa fa girare la stella di neutroni per creare una pulsar», ha spiegato Ramirez-Ruiz. «I nuclei di elio massicci, tuttavia, sono più legati gravitazionalmente e non si espandono, quindi non c’è trasferimento di massa. E se non si trasformano in una pulsar, non li vediamo».
In altre parole, potrebbe esserci una grande popolazione non rilevata di binari di stelle di neutroni pesanti nella nostra galassia.
Lo studio, pubblicato l’8 ottobre su The Astrophysical Journal Letters, è stato condotto da Alejandro Vigna-Gomez, un astrofisico del Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen, dove Ramirez-Ruiz ha una cattedra Niels Bohr.