Il neon che mangia gli elettroni fa collassare le stelle


Un team internazionale di ricercatori ha scoperto che il neon all’interno di una certa stella massiccia può consumare gli elettroni del nucleo, un processo chiamato cattura degli elettroni, che fa sì che la stella collassi in una stella di neutroni e produca una supernova.


I ricercatori erano interessati a studiare il destino finale delle stelle entro un intervallo di massa da otto a dieci masse solari. Questo intervallo di massa è importante perché comprende il confine tra il fatto che una stella ha una massa abbastanza grande da subire un’esplosione di supernova per formare una stella di neutroni, o ha una massa più piccola per formare una stella nana bianca senza diventare una supernova.

Una stella con una massa da otto a 10 masse solari forma comunemente un nucleo composto da ossigeno, magnesio e neon. Il nucleo è ricco di elettroni degenerati, il che significa che c’è un’abbondanza di elettroni in uno spazio denso con energia abbastanza elevata da sostenere il nucleo contro la gravità. Una volta che la densità del nucleo è abbastanza alta, gli elettroni sono consumati dal magnesio e poi dal neon, che si trovano anche all’interno del nucleo. Studi passati hanno confermato che il magnesio e il neon possono iniziare a divorare gli elettroni una volta che la massa del nucleo è cresciuta vicino alla massa limite di Chandrasekhar, un processo chiamato cattura degli elettroni, ma si è discusso se la cattura degli elettroni può causare la formazione di stelle di neutroni.

Un team multi-istituzionale di ricercatori ha studiato l’evoluzione di una stella di 8,4 masse solari e ha eseguito simulazioni al computer su di essa per trovare una risposta.

a) Un nucleo stellare contiene ossigeno, neon e magnesio. Una volta che la densità del nucleo diventa abbastanza alta, (b) il magnesio e il neon cominciano a mangiare elettroni e inducono un collasso. (c) Poi la combustione dell’ossigeno si accende e produce nuclei di gruppo ferroso e protoni liberi, che mangiano sempre più elettroni per promuovere un ulteriore collasso del nucleo. (d) Infine, il nucleo che collassa diventa una stella di neutroni al centro e lo strato esterno esplode per produrre una supernova.

Utilizzando i dati recentemente aggiornati da Suzuki per i tassi di cattura degli elettroni dipendenti dalla densità e dalla temperatura, hanno simulato l’evoluzione del nucleo della stella, che è supportato dalla pressione degli elettroni degenerati contro la gravità della stella stessa. Poiché il magnesio e soprattutto il neon mangiano gli elettroni, il numero di elettroni è diminuito e il nucleo si è rapidamente ridotto (Figura sopra).

La cattura degli elettroni ha anche rilasciato calore. Quando la densità centrale del nucleo ha superato i 1010 g/cm3, l’ossigeno nel nucleo ha iniziato a bruciare i materiali nella regione centrale del nucleo, trasformandoli in nuclei di gruppo ferroso come ferro e nichel. La temperatura è diventata così calda che i protoni si sono liberati e poi fuggiti. Infine gli elettroni sono diventati più facili da catturare grazie ai protoni liberi e ai nuclei del gruppo ferro-gruppo ferroso, e la densità era così alta che il nucleo è collassato senza produrre un’esplosione termonucleare.

Con i nuovi tassi di cattura degli elettroni, la combustione dell’ossigeno si è rivelata leggermente decentrata. Tuttavia, il collasso ha formato una stella di neutroni e ha causato un’esplosione di supernova, dimostrando che può verificarsi una supernova a cattura di elettroni.

La Nebulosa del Granchio, un residuo della supernova del 1054 (SN 1054; osservata da antichi astronomi in Cina, Giappone e Arabia). Nomoto e altri hanno suggerito che la SN 1054 potrebbe essere una supernova a cattura di elettroni di una stella con una massa iniziale di circa nove volte la massa solare.

Un certo intervallo di massa delle stelle con 8-10 masse solari formerebbe nane bianche composte da ossigeno – magnesio – neon per la perdita di massa dell’involucro dovuta alla perdita di massa del vento stellare. Se la perdita di massa del vento è piccola, invece, la stella subisce la supernova a cattura di elettroni, come si trova nella loro simulazione.

Il team suggerisce che la supernova a cattura di elettroni potrebbe spiegare le proprietà della supernova registrata nel 1054 che ha formato la Nebulosa del Granchio, come proposto da Nomoto et al. nel 1982 (Figura sopra).

Questi risultati sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal.

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