Mag 16

Trovata la fuggitiva con il "malloppo" **

Nel 2010 avevo pubblicato un articolo su una magnetar e avevo richiamato il fatto che esse rappresentano una vera anomalia: stelle sicuramente molto massicce che, una volta esplose come supernova, sono rimaste nel rango delle stelle di neutroni. Perché? Vi ripropongo quell’articolo e poi continuo con l’avventura ai limiti di un vero film d’azione.

Il VLT dell’ESO ha studiato a fondo l’ammasso aperto Westerlund 1 e in particolare un magnetar (un tipo particolare di stella di neutroni) concludendo che quest’ultimo oggetto doveva provenire da una stella con una massa almeno 40 volte quella del Sole. Normalmente si pensa che una massa del genere debba portare a un buco nero e invece in questo caso abbiamo soltanto una stella di neutroni. Facciamo allora un po’ di chiarezza sul problema.

westerlund 1
Il cielo, ricchissimo di stelle e di nubi intorno all’ammasso stellare Westerlund 1. CFonte: ESO/Digitized Sky Survey 2; Davide De Martin

L’ammasso Westerlund 1 è stato scoperto solo nel 1961, dato che è immerso in un’enorme nube interstellare di gas e polvere e quindi è rimasto “nascosto” a lungo. E’ relativamente vicino (16000 anni luce da noi) e si trova nella costellazione australe dell’Altare. Esso rappresenta un laboratorio eccezionale per lo studio della fisica stellare estrema. Si stima che contenga almeno 100000 masse solari racchiuse in uno spazio inferiore ai 6 anni luce. E’ quindi giovanissimo e si ha la certezza che tutte le sue stelle siano nate insieme, ossia abbiano tutte un’età compresa tra 3,5 e 5 milioni di anni. Questo dato è importantissimo, in quanto lo stadio evolutivo dei singoli astri ci può dare informazioni molto precise sulla loro massa. Ricordiamo infatti che più una stella è grande e prima raggiunge la sua fine.

Le masse delle stelle dell’ammasso finora studiate sono tutte molto grandi, dell’ordine di 30-40 masse solari. Se il Sole si trovasse nel cuore del gruppo avremmo delle notti illuminate da centinaia di stelle più luminose della Luna Piena. Meriterebbe un viaggio… Ma torniamo all’età e alle massa del nostro “magnetar”. Innanzitutto, ricordiamo che si chiama magnetar una  stella di neutroni che abbia un campo magnetico incredibilmente forte, dell’ordine di milioni di miliardi di volte quello terrestre.

Tutte le stelle di Westerlund 1 hanno, come già detto, la stessa età, ragion per cui la stella che ha dato origine al magnetar, dovendo già essere esplosa, ha avuto una vita più breve di quella delle sue compagne ancora vive. La relazione massa-età ci dice allora che doveva essere più massiccia delle sorelle. Se si fosse riusciti a misurare la massa di una delle compagne più grandi si sarebbe quindi stati sicuri che la massa originaria della progenitrice del “magnetar” sarebbe stata superiore. L’occasione è stata fornita da un sistema doppio (W13). In questi casi è immediato avere le masse delle componenti attraverso il moto orbitale. La conclusione è stata sorprendente: il magnetar doveva essersi formato da una stella superiore alle 40 masse solari. Per la prima volta si era osservato che questi oggetti peculiari potevano essere nati da stelle che normalmente dovrebbero portare a un buco nero. Ricordiamo, infatti, che le teorie accettate normalmente dicono che le stelle di neutroni (e quindi anche i magnetar) dovrebbero formarsi da stelle comprese tra 10 e 25 masse solari. Dopo questo valore la fine dovrebbe essere un buco nero.

Una possibile spiegazione, che aprirebbe nuove strade sulla fenomenologia delle ultime fasi stellari, ipotizza che il progenitore della magnetar sia nato con una compagna. Durante l’evoluzione il sistema doppio iniziò ad interagire e l’energia derivata dal cambiamento del loro moto orbitale venne spesa soprattutto nell’espulsione di una enorme quantità di massa originale, superiore a quella relativa alle normali fasi di pre-supernova. La perdita di massa potrebbe essere così stata anche superiore al 95% e quindi la massa finale al momento dell’esplosione molto ridotta e incapace di arrivare alla massa critica di un buco nero (circa 3 masse solari).

A questo punto vale la pena di fare una piccola osservazione che potrebbe essere utile a molti: non si deve confondere la massa della stella originaria e la massa della stella dopo l’esplosione. Per poter dare origine ad una supernova è necessario avere una massa originaria almeno 8 volte quella del Sole. Per produrre un buco nero è necessario che la massa dopo l’esplosione sia superiore a 3 masse solari. Dato che le stelle in fase pre-supernova perdono poco più del 90% della loro massa, ecco che per arrivare a essere buco nero la stella iniziale dovrebbe essere di almeno 25 masse solari.

Resta il fatto che non si vede più la compagna, ma essa potrebbe essere stata scagliata lontano al momento dell’esplosione della supernova. Se questa ipotesi fosse vera (e al momento non ci sono alternative) vorrebbe dire che l’evoluzione finale di una stella sarebbe fortemente legata al fatto di essere o non essere in un sistema doppio. Il “matrimonio” guiderebbe in modo fondamentale la perdita di massa e quindi la struttura di ciò che rimane dopo la morte.

I ricercatori si sono mostrati proprio tali e hanno cominciato a “ricercare” la fuggitiva. Da qualche parte doveva ancora esserci. Per svolgere indagini all’altezza della situazione hanno usato il VLT, puntandolo verso zone anche molto lontane. Anche se ben nascosta, la sua velocità sarebbe stata un segno abbastanza chiaro di colpevolezza. Alla fine, ecco la Westerlund 1-5. Era sicuramente in fuga e poteva essere la stella ricercata.

magnetar e fuggitiva
L’ammasso stellare Westerlund 1 e la posizione della magnetar e della probabile ex-compagna. Fonte: ESO

Bastava la velocità per accusarla? Probabilmente no ed allora è stato svolta un’analisi del suo DNA (ops… composizione chimica). No, c’era qualcosa che non andava assolutamente! Una stella di quella  massa relativamente piccola non poteva contenere sia idrogeno ed elio (cosa normale) che-anche- un'anomala  quantità di carbonio. Non era farina del suo sacco, ma certamente la refurtiva! Non vi erano alternative a meno di non rivoluzionare tutta l’evoluzione stellare.

I detective hanno ricostruito abbastanza bene il susseguirsi degli eventi che corrispondono piuttosto bene a ciò che si era ipotizzato già nel 2010. La fuggitiva (stella 1) era sorella dell’odierna magnetar (stella 2) ed era anche più massiccia. Una compagna enorme che giunta verso la fine della sua vita ha iniziato a regalare materiale alla più piccola compagna. Meno materia teneva per sé e più lunga sarebbe stata la sua esistenza “normale”. La compagna (2) non solo aumentava di massa ma anche di momento angolare, iniziando a ruotare come una trottola e ingigantendo di conseguenza il suo campo magnetico. A questo punto era diventata veramente grassa e iniziò a perdere massa, ma anche a restituirne un po’ alla ex stella (1) originariamente più massiccia e ora dimagrita di molto.

Questa, credendosi al sicuro, aveva continuato a svolgere le sue azioni vitali lavorando ancora sull’idrogeno ed elio, di cui aveva un riserva ancora notevole. Il regalo della sorella (2) ormai giunta veramente alla fine era un qualcosa di impossibile per lei (1): tanto carbonio relativo a una fase ben più avanzata di fase evolutiva. Un bottino quasi insperato!

Poi, la situazione degenerò velocemente e la povera stella in rapida rotazione (1) fu costretta ad esplodere come supernova. La sua massa, però, non era certo mai stata di 40 masse solari, ma decisamente minore, avendo restituito molto di ciò che la sorella le aveva regalato. Insomma, era vissuta da gigante, ma solo temporaneamente. Doveva dire grazie a tutta quella massa che la sorella le aveva fornito molto tempo prima. E non poteva, perciò, nemmeno sperare di diventare un buco nero, non avendo più  una massa di tre Soli. Nell’esplosione la compagna venne finalmente scacciata (o se ne era andata per non lasciare prove?) con il suo strano segno evolutivo (tanto carbonio) che non poteva certo essersi costruita da sola.

Al di là degli scherzi, questo scambio di favori sembra davvero l’unica possibilità per formare una magnetar. Le prove in possesso ai ricercatori sembrano più che sufficienti per confermare questa ipotesi veramente importante per l’evoluzione stellare. Ancora una volta, fenomeni peculiari e fondamentali nascono solo durante l’unione stretta di due stelle.

Sono veramente contento che una ricerca eseguita con attenzione, pazienza e idee chiare abbia avuto una conclusione così chiara e disambigua. Insomma, nemmeno nell’Universo esiste il “delitto” perfetto!

15 commenti

  1. SANDRO

    Caro Enzo, faccio una riflessione, ma non so quanto "reale".
    In tutto questo scambio di materia fra le due stelle che alla fine ha portato alla fuga di una delle due, non dovrebbe esserci traccia di materia sulla congiungente le due, avvenuta a seguito dell'esplosione?

  2. caro SANDRO,
    la materia si è dispersa all'atto dell'esplosione, oltre che prima durante la perdita di massa. Durante la fuga, può anche darsi che la stella perda un po' di materia (d'altra parte continua la sua evoluzione), ma direi che è proprio impossibile rendersene conto con gli strumenti attuali... Però, tu hai teoricamente ragione. Dovrebbe lasciare un segno, come la ... "bava" di una lumaca. :wink:

  3. Walter

    Tre domande ingenue da incompetente.
    Tu scrivi Si stima che contenga almeno 100000 stelle racchiuse in uno spazio inferiore ai 6 anni luce.
    Non so fare bene i calcoli ma quel numero di stelle in una sfera di 6 anni luce di diametro devono essere vicinissime una all'altra dandosi fastidio reciprocamente coi rispettivi campi gravitazionali, non penso che possano esistere pianeti in quell'ammasso.
    Non avvengono sovente scontri tra due stelle creando altro caos?
    Quando la stella che è diventata la magneter esplodendo non ha creato un 'terremoto' alle stelle vicine sia per l'energia emessa sia per la quantità di 'materia' espulsa?
    Se l'età dell'ammasso è di 3,5/5 milioni di anni la stella fuggitiva, considerando che la magnater deve aver impiegato del tempo per formarsi ed esplodere (1 milione di anni?), non dovrebbe essere ancora nelle vicinanze?
    Non penso che abbia potuto percorrere tanti anni luce anche andando molto veloce.
    Grazie
     

  4. Michael

    Io invece mi sono soffermato su un altro dubbio, sulla falsa riga dello stralcio citato da Walter.
    Si stima che contenga almeno 100000 stelle racchiuse in uno spazio inferiore ai 6 anni luce. E’ quindi giovanissimo [...]

    Ma  gli ammassi così densi non dovrebbero, invece, essere quelli di "vecchia generazione"?

  5. gioyhofer

    Anche a me l'età dell'ammasso sembra fuori dal comune...  

  6. SANDRO

    Forse ad una delle domande si può rispondere. Leggendo l'articolo su INAF si parla di 100.000 masse solari e non di 100.000 stelle, con ognuna una massa calcolata intorno alle 40 masse solari, dunque, se non erro, circa 25.000 stelle. Giusto?

  7. dunque... innanzitutto devo ammettere di avere scritto "stelle" invece di masse solari. Correggo subito! Grazie SANDRO!!

    Poi la velocità... anche ammettendo che il percorso sia di 6 anni luce (come tutto l'ammasso) e considerando un tempo di 1 milione di anni, viene fuori una velocità modesta (se non ho sbagliato a fare il conto): circa 1000 km/h.
    10^13/10^6 = 10^7 km/anno = 1140 km/h 

    Infine l'ammasso: anche gli ammassi aperti devono nascere e continuano a farlo. Diamogli tempo e vedrete che si espanderà... in fondo è veramente appena nato...

  8. ops.... scusate ho dimenticato un "6"... ma cambia di poco...

    km in un anno luce: 10^13 km
    km in 6 anni luce = 6 10^13 km

    tempo impiegato 10^6 anni

    km percorsi in un anno: 6 10^13/10^6 km/anno =  6 10^7 km/anno = 7000 km/h circa

  9. davide1334

    però,prima la sorella del sole,ora la compagna della magnetar...con l'evoluzione delle tecniche investigative e degli strumenti di elaborazione e archivio sempre maggiori, fra tot anni potremmo arrivare a "schedare" l'intera via lattea ricostruendo ogni albero genealogico,  ogni famiglia,scovare gli emigrati,i vagabondi  ricostruendo a ritroso modelli sempre più primordiali...è fantascienza?

  10. Beh... Davide... tutte le stelle della galassia sono un po' tante! E poi non tutte hanno lasciato dei segni particolari lungo la loro strada. Di Pollicino ce ne sono pochi... :mrgreen:

  11. Walter

    È vero che il Sole ha una velocità circa 781000km/h ma è una velocità in una orbita mentre per la stella fuggitiva è la sua velocità 'propria' causata dalla 'spinta' della magneter, non pensavo che arrivasse a tanto visto la massa che ha.
    Poi ho provato a rifare i calcoli probabilmente sbagliati della distanza fra una stella e un'altra nell'ammasso e mi risulta una distanza media dello stesso ordine di grandezza della distanza fra il Sole e Plutone.
    Se ha attraversato solo parte dell'ammasso deve avere trovato un 'traffico' da bollino nero delle autostrade.

  12. caro Walter,
    se pensi alla velocità delle fuggitive dalla galassia... non è poi tanto. Sì, il traffico è molto intenso e chissà quante spintarelle gravitazionali...

  13. davide1334

    beh si,forse è ho un pò esagerato...però come diceva gene roddenberry "pare incredibile,ma la fantascienza di oggi è la scienza di domani" e non aveva tutti i torti in fondo.... :mrgreen:
    una cosa che  non ho capito: il carbonio si sarebbe trasferito nella sorella nel momento dell'esplosione o prima? quando si parla di trasferimento di materia da una stella all'altra,io immagino l'idrogeno,al massimo l'elio, che si trovano nella buccia esterna della cipolla,gli altri elementi essendo più interni(verso il nucleo) e più pesanti, come farebbero a fuoriuscire?possono farlo solo con l'esplosione,no?

  14. ConcettoM

    Perché la stella è stata "spinta" lontano, acquisendo il carbonio osservato? Non poteva perdere importanti quantità di massa dovuta all'incontro con il fronte d'onda dell'esplosione e restare nei "paraggi"?

  15. caro Davide,
    prima di diventare una supernova la stella perde almeno il 90% della sua massa e questa è stata in parte inglobata nella compagna. In quel 90% c'era sicuramente anche del carbonio prodotto prima. Nella fase esplosiva non penso che abbia potuto recuperare molta massa dato che è stata subito scagliata via insieme alla radiazione.

    caro Concetto, la stella non è stata scacciata via per aver assorbito carbonio, ma in seguito all'esplosione. L'energia che si libera riesce a imprimerle una velocità ben maggiore di quella che l'attrito con la materia circostanze poteva  opporre. Se ho capito bene la domanda... :-?

    SCUSATE TUTTI
    posto ancora un articolo già pronto e poi vado in quel di Lunigiana fino a martedì (incontrerò il nostro Supermagoalex!). Se sarò un po' assente... sapete il perché....
    CIAOOOO 

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