domenica 18 novembre 2018

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Stelle estremamente massicce, esplosioni visibili a milioni di anni luce, e poi? carcasse cosmiche che sfidano le leggi della materia. Ecco cosa sono le stelle di neutroni e come diventano pulsar.

Le stelle di neutroni sono in realtà stelle morte. Carcasse che sfidano le leggi della materia.
Si formano quando una stella massiccia collassa per poi esplodere in un supernova. Durante il collasso che avviene subito prima dell'esplosione, la pressione alla quale è sottoposta la materia è così immensa che i protoni e gli elettroni si schiacciano e si fondono, trasformandosi in neutroni.
Ovviamente l'energia rilasciata da questo fenomeno è altissima, ed è per questo che le supernove sono fenomeni potentissimi e luminosissimi.
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Per fare un passo in dietro e capire passo passo come esplode una supernova, vi invitiamo a leggere: Come nascono le supernove e perché sono così importanti per l'uomo
Le stelle di neutroni risultanti da questo collasso sono gli oggetti più densi conosciuti, dopo i buchi neri ovviamente.
Sono stelle con la massa di un Sole, ma compressa fino alle dimensioni di una città.
Qui iniziano le frasi fatte che sicuramente avrete già letto in giro su internet: hanno un diametro di circa 20 chilometri, un cucchiaio del loro materiale peserebbe tanto quanto una montagna e la gravità sulla superficie è circa 2 miliardi di volte più forte della gravità sulla Terra. E anche il campo magnetico non scherza, è milioni di volte più forte di quello del Sole.

Detto questo, come è fatta veramente una stella di neutroni?
Se potessimo affettare una stella di neutroni ci accorgeremmo che non é per niente omogenea, o per lo meno questa è la teoria.
Le stelle di neutroni sono fatte da una crosta e da un nucleo.
La crosta è composta da da uno strato esterno di poche centinaia di metri, composta da un miscuglio molto compatto di nuclei atomici (protoni e neutroni) ed elettroni liberi, cioè elettroni che si muovono indipendentemente e non sono legati al nucleo di un atomo.
La densità qui è talmente alta che non si può più parlare di atomi. In un centimetro cubo di questo strato di crosta si trova una tonnellata di materia.

Sotto a questo strato troviamo la crosta interna, spessa circa un paio di chilometri e più densa dello strato sopra.
Nella crosta interna oltre agli elettroni liberi iniziamo a trovare anche neutroni liberi.

Scendendo ancora più verso l'interno troviamo il nucleo.
Questa zona è il cuore della stella di neutroni ed ha un diametro di circa 10 / 13 km.
La parte esterna del nucleo di una stella di neutroni è molto probabilmente liquido. Qui la pressione alla quale è sottoposta la materia è davvero altissima ed è proprio qua che i neutroni prendono la scena: più del 90% del nucleo esterno è composto da neutroni.
Gli atomi come li conosciamo non riescono più a resistere. Nemmeno i loro nuclei mantengono più le caratteristiche atomiche alla quale siamo abituati.
In questa sfera liquida di circa 10 km di diametro esistono quasi solamente neutroni!

Ma non è finita qua.
Superati i primi 10 km di profondità all'interno del nucleo, e cioè negli ultimi 2 / 3 km, la pressione e la forza di gravità sono talmente alte che gli astrofisici fanno davvero fatica a capire in che stato possa essere la materia.
Questo punto delimita l'inizio del nucleo interno della stella di neutroni.
Qui le particelle elementari si comportano in modo imprevedibile. Il nucleo interno delle stelle di neutroni è il punto più denso dell'universo osservabile. La densità raggiunge probabilmente valori di circa un miliardo di tonnellate per centimetro cubo!
La maggior parte dei fisici concorda sul fatto che nel cuore delle stelle di neutroni ci sia il plasma di quark e gluoni.
Questo brodo di particelle subatomiche può esistere solo a temperature o densità altissime.
Nei primi millisecondi dopo il Big Bang l'universo era talmente caldo da essere permeato di questo plasma. Situazione che è andata via via raffreddandosi creando i primi atomi.
Nel nucleo più interno delle stelle di neutroni potrebbe esserci abbastanza pressione da creare lo stesso plasma!

Cosa centra tutto ciò con le pulsar?
Le pulsar altro non sono che stelle di neutroni con un piano rotatorio molto particolare.
Tutte le stelle di neutroni sono in realtà anche delle pulsar. Ma ciò che le fa diventare pulsar ai nostri occhi è l'inclinazione del loro asse rispetto al nostro punto di osservazione.

Ma ci manca un aspetto essenziale.
Abbiamo detto prima che una stella di neutroni deriva da una stella molto grande, il cui diametro è di qualche milione di chilometri.
Dopo l'esplosione ed il collasso, la stella di neutroni risultante mantiene il momento angolare della sua progenitrice. Peccato però che il suo diametro sia passato da qualche milione di chilometri a poco più di 10.
Questo ha un'effetto potentissimo sulla sua velocità di rotazione che può raggiungere i 700 giri al secondo o più.

Per comprendere meglio questo fenomeno vi invitiamo a guardare questo simpatico video su youtube: il momento angolare

E' semplice intuire quanta energia possa avere un oggetto che ruota così velocemente.
Una parte di questa enorme energia viene rilascia attraverso il forte campo magnetico che avvolge la stella. E il risultato è un fascio costante e potente di energia che viene espulso dai poli del campo magnetico della stella di neutroni.
Benissimo, proprio questo fascio rende le stelle di neutroni anche delle pulsar.
In base all'inclinazione che ha l'asse di rotazione della stella di neutroni ed alla sua velocità, il fascio avrà per noi sulla Terra una intermittenza diversa.
Il video sotto aiuta a comprendere il fenomeno.



Considerata la velocità con la quale ruotano le stelle di neutroni, potete farvi un'idea di quanto velocemente possa "lampeggiare" una pulsar.
Ci sono pulsar che emettono impulsi 1 volta al secondo. Altre, 30 volte al secondo e così via fino ad arrivare a pulsar che emettono impulsi a centinaia di volte al secondo.

Qui sotto vi facciamo ascoltare alcune straordinarie registrazioni fatte dai radiotelescopi.

Ma questa rotazione è destinata piano piano a rallentare. E' un serpente che si morde la coda, più la stella ruota velocemente e più energia disperde. Più energia disperde e prima terminerà la sua rotazione. Si parla comunque di decine milioni di anni.
Un'altra causa che determina il rallentamento di una pulsar è legata al suo raffreddamento.
Mentre una stella di neutroni si raffredda, il suo interno inizia a diventare sempre più "superfluido".
Il superfluido è uno stato della materia che si comporta come un fluido, ma senza l'attrito o la "viscosità" del fluido.
Anche questo cambiamento di stato influenza gradualmente il modo in cui la rotazione della stella rallenta.

Le pulsar sono oggetti straordinari, fari cosmici con ritmi secolari. Oggi ne conosciamo più di 2.000 ed il numero cresce sempre di più. Sono un esempio di quanto l'universo possa stupirci con le sue straordinarie stranezze.
Pulsar PSR B0329+54. Questa è una pulsar classica che pulsa con un periodo di 0,7 secondi ascolta
Pulsar PSR B0833-45. Questa pulsar si trova al centro della nebuloso Vela. Costituita dai detriti dell'esplosione di circa 10.000 anni fa. Questa pulsar ha un periodo di 89 millisecondi e ruota 11 volte al secondo.ascolta
Pulsar PSR B0531 + 21. E' sicuramente la pulsar più famosa perché si trova al centro della nebulosa del granchio: M1. Ruota circa 30 volte al secondo.ascolta
Pulsar PSR J0437-4715. Questa è una pulsar millisecondo che ruota circa 174 volte al secondo.ascolta
Pulsar PSR B1937 + 21. E' la pulsar più veloce conosciuta. Ruota con un periodo di 0,00155780644887275 secondi, cioè o circa 642 volte al secondo. La superficie di questa stella si muove a circa 1/7 della velocità della luce e illustra le enormi forze gravitazionali che impediscono il suo allontanarsi a causa delle immense forze centrifughe.ascolta