Questa magnetar è una stella di neutroni altamente magnetizzata. Questa illustrazione artistica mostra l’esplosione di una magnetar. Le stelle di neutroni che ruotano rapidamente ed emettono radiazioni sono chiamate pulsar e le pulsar specifiche sono rare nel nucleo della Via Lattea.
La Via Lattea ha un problema di pulsar mancanti nel suo nucleo. Gli astronomi hanno cercato di spiegarlo per anni. Una delle idee più interessanti proviene da un gruppo di astronomi europei e fa riferimento alla materia oscura, alle stelle di neutroni e ai buchi neri primordiali (PBH).
L’astronomo Roberto Caiozzo, della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste, ha guidato un gruppo che ha esaminato il problema delle pulsar mancanti.
“Non osserviamo pulsar di alcun tipo in questa regione interna (ad eccezione della magnetar PSR J1745-2900)”, ha scritto.
“Si pensava che ciò fosse dovuto a limitazioni tecniche, ma l’osservazione della magnetar sembra suggerire il contrario”. La magnetar orbita attorno a Sagittarius A, il buco nero al centro della Via Lattea.
Il team ha esaminato altre possibili ragioni per cui le pulsar non appaiono nel nucleo e ha esaminato da vicino la formazione delle magnetar e le interruzioni delle stelle di neutroni. Un’idea intrigante esaminata è stata la cannibalizzazione dei buchi neri primordiali delle stelle di neutroni.
Il team ha esplorato il problema delle pulsar mancanti ponendosi la domanda: il cannibalismo tra stelle di neutroni e buchi neri primordiali potrebbe spiegare la mancanza di pulsar millisecondo rilevate nel nucleo della Via Lattea?
Esaminiamo i principali protagonisti di questo mistero per capire se ciò potrebbe accadere.
Stelle di neutroni, pulsar e piccoli buchi neri
La teoria suggerisce che i buchi neri primordiali siano stati creati nei primi secondi dopo il Big Bang. “I PBH non sono noti per la loro esistenza”, sottolinea Caiozzo, “ma sembrano spiegare alcuni importanti fenomeni astrofisici”. Ha sottolineato l’idea che i buchi neri supermassicci sembravano esistere in tempi molto precoci nell’universo e ha suggerito che potrebbero essere stati i semi di questi mostri.
Se ci sono dei PHB là fuori, il telescopio Nancy Grace Roman, di prossima realizzazione, potrebbe aiutarci a trovarli. Gli astronomi prevedono che potrebbero esistere in una gamma di masse che va dalla massa di uno spillo a circa 100.000 masse del Sole. Nel mezzo potrebbe esserci una gamma intermedia, i cosiddetti PBH di “massa asteroidale”. Gli astronomi suggeriscono questi ultimi come candidati alla materia oscura.
La materia oscura costituisce circa il 27% dell’universo, ma oltre a suggerire che i PBH potrebbero far parte del contenuto di materia oscura, gli astronomi non sanno ancora esattamente di cosa si tratti. Sembra che ce ne sia una grande quantità nel nucleo della nostra galassia. Tuttavia, non è stata osservata direttamente, quindi la sua presenza è dedotta. È legato a quei PBH di fascia media? Nessuno lo sa.
Il terzo protagonista del mistero delle pulsar scomparse sono le stelle di neutroni. Si tratta di enormi e tremolanti sfere di neutroni rimaste dopo la morte di una stella supergigante di massa compresa tra 10 e 25 masse solari. Le stelle di neutroni nascono molto calde (nell’ordine di 10 milioni di K) e si raffreddano nel tempo.
Iniziano a ruotare molto velocemente e generano campi magnetici. Alcune emettono fasci di radiazioni (di solito in radiofrequenza) che, durante la rotazione, appaiono come “impulsi” di emissione. Questo ha valso loro il soprannome di “pulsar”. Le stelle di neutroni con campi magnetici estremamente potenti sono chiamate “magnetar”.
Il problema della pulsar mancante
Gli astronomi hanno cercato pulsar nel nucleo della Via Lattea senza molto successo. Indagine dopo indagine non è stata rilevata alcuna radio pulsar all’interno dei 25 parsec del nucleo della galassia. Perché?
Caizzo e i suoi coautori suggeriscono nel loro articolo, pubblicato sul server di preprint arXiv, che la formazione di magnetar e altre perturbazioni delle stelle di neutroni che influenzano la formazione delle pulsar non spiegano esattamente l’assenza di questi oggetti nel nucleo galattico.
“Una formazione efficiente di magnetar potrebbe spiegare questo (a causa della loro vita più breve)”, ha detto, “ma non c’è alcuna ragione teorica per aspettarselo”.
Un’altra possibilità è che le pulsar siano in qualche modo perturbate in altri modi”.
Di solito, le perturbazioni avvengono nei sistemi stellari binari in cui una stella è più massiccia dell’altra ed esplode come supernova. L’altra stella può esplodere o meno. Qualcosa potrebbe scagliarla fuori dal sistema. La stella di neutroni superstite diventa una pulsar “perturbata”. Non sono facilmente osservabili, il che potrebbe spiegare la mancanza di rilevamenti radio.
Se la compagna non viene cacciata e in seguito si gonfia, la sua materia viene risucchiata dalla stella di neutroni. Questo fa ruotare la stella di neutroni e influisce sul campo magnetico. Se la seconda stella rimane nel sistema, in seguito esplode e diventa una stella di neutroni. Il risultato è una stella binaria di neutroni. Questa perturbazione può aiutare a spiegare perché il nucleo galattico sembra essere privo di pulsar.
La cattura dei buchi neri primordiali per spiegare le pulsar scomparse
L’équipe di Caizzo ha deciso di utilizzare modelli bidimensionali di pulsar millisecondo, cioè pulsar che ruotano molto velocemente, per studiare la possibilità della cattura di buchi neri primordiali nel nucleo galattico.
Il processo funziona così: una pulsar millisecondi interagisce in qualche modo con un buco nero primordiale che ha meno di una massa stellare. Alla fine, la stella di neutroni (che ha un’attrazione gravitazionale abbastanza forte da attirare il PBH) cattura il buco nero. A questo punto, il PBH sprofonda nel nucleo della stella di neutroni. All’interno del nucleo, il buco nero inizia ad accumulare materia dalla stella di neutroni.
Alla fine, tutto ciò che rimane è un buco nero con una massa pari a quella della stella di neutroni originale. Se ciò si verificasse, si potrebbe spiegare la mancanza di pulsar nei parsec interni della Via Lattea.
Potrebbe accadere? Il team ha analizzato i possibili tassi di cattura delle PBH da parte delle stelle di neutroni. Ha inoltre calcolato la probabilità che una determinata stella di neutroni collassi e ha valutato il tasso di distruzione delle pulsar nel nucleo galattico. Se non tutte le pulsar interrotte fanno o facevano parte di sistemi binari, allora la cattura di PBH da parte di stelle di neutroni rimane un altro modo per spiegare la mancanza di pulsar nel nucleo. Ma questo accade nella realtà?
La tensione sulle pulsar mancanti continua
Secondo Caizzo, questo cannibalismo non può spiegare il problema della pulsar mancante. “Abbiamo scoperto che nel nostro modello attuale i PBH non sono in grado di disturbare questi oggetti, ma questo è solo considerando il nostro modello semplificato di interazioni tra 2 corpi”, ha detto. Questo non esclude l’esistenza dei PHB, ma solo che in casi specifici questa cattura non avviene.
Quindi, cosa resta da esaminare? Se ci sono PHB nei nuclei e si stanno fondendo, nessuno li ha ancora visti. Ma il centro della galassia è un luogo affollato. Molti corpi affollano i parsec centrali. Bisogna calcolare gli effetti di tutti questi oggetti che interagiscono in uno spazio così piccolo. Il problema della “dinamica dei molti corpi” deve tenere conto di altre interazioni, oltre che della dinamica e della cattura dei PBH.
Gli astronomi che cercano di utilizzare le fusioni PBH-stella di neutroni per spiegare la mancanza di osservazioni di pulsar nel nucleo della galassia dovranno comprendere meglio sia le osservazioni proposte sia le popolazioni più grandi di pulsar.
Il team suggerisce che le future osservazioni di vecchie stelle di neutroni vicino a Sgr A potrebbero essere molto utili. Aiuterebbero a stabilire limiti più severi sul numero di PBH nel nucleo. Inoltre, sarebbe utile avere un’idea delle masse di queste PBH, poiché quelle più basse (di tipo asteroidale) potrebbero interagire in modo molto diverso.
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