Stelle di neutroni

A stella di neutroni è il nucleo collassato lasciato indietro quando una stella massiccia muore in una supernova. Racchiude circa una volta e mezza la massa del Sole in una sfera di soli 20 chilometri di diametro, così densa che un pezzo delle dimensioni di una zolletta di zucchero peserebbe quanto una montagna. Le stelle di neutroni si trovano al confine tra la fisica stellare ordinaria e il regime estremo in cui gravità, forze nucleari e meccanica quantistica contano tutte contemporaneamente.

Come si forma una stella di neutroni

Quando una stella molto più pesante del Sole esaurisce il suo combustibile nucleare, il suo nucleo non riesce più a sostenersi e collassa in una frazione di secondo. La materia che cade schiaccia protoni ed elettroni trasformandoli in neutroni, e il collasso si arresta solo quando i neutroni stessi resistono a essere ulteriormente compressi. Gli strati esterni rimbalzano in un'esplosione di supernova, lasciando dietro di sé il nucleo compatto di neutroni. Se la stella originale è abbastanza pesante, anche la pressione dei neutroni viene meno e il nucleo collassa ulteriormente in una buco nero Invece.

Cosa lo sostiene: pressione degenerativa

Una stella di neutroni non brucia carburante, quindi cosa le impedisce di collassare? La risposta è un effetto puramente quantistico. Il Principio di esclusione di Pauli impedisce a due neutroni di occupare lo stesso stato quantico, il che li costringe a muoversi anche alle energie più basse. Questo crea un potente verso l'esterno pressione di degenerazione dei neutroni che sostiene la stella contro la sua stessa immensa gravità: lo stesso principio che sostiene una nana bianca, ma spinto a una densità molto più estrema.

Laboratori cosmici

Esattamente come si comporta la materia alle densità all'interno di una stella di neutroni - descritto dal suo equazione di stato – non è ancora del tutto noto, perché nessun laboratorio sulla Terra può raggiungere tali condizioni. Il nucleo può contenere stati esotici della materia come quark liberi o iperoni. Gli astronomi lo indagano misurando le masse e i raggi delle stelle di neutroni e osservandole fondersi: la rilevazione nel 2017 di onde gravitazionali dalla collisione di una stella di neutroni, vista insieme alla luce, ha aperto un nuovo e potente modo per studiare la materia densa e persino l'origine di elementi pesanti come l'oro.

Pulsar e magnetar

Molte stelle di neutroni ruotano rapidamente e irradiano radiazioni dai loro poli magnetici; mentre il raggio sfiora la Terra vediamo impulsi regolari e l'oggetto è chiamato pulsare. I più estremi, con i campi magnetici più forti, sono magnetar. Questi resti rotanti e magnetizzati sono tra gli orologi naturali più precisi dell’universo.

Un malinteso comune

Una stella di neutroni non è fatta di "neutronio" impacchettato come la materia ordinaria; è un singolo oggetto legato gravitazionalmente, più simile a un colossale nucleo atomico che a una stella normale, con una crosta solida sopra un interno fluido. E anche se spesso chiamate stelle "morte", le stelle di neutroni rimangono fisicamente attive per miliardi di anni, raffreddandosi, ruotando e occasionalmente brillando.

Numeri chiave: sull’orlo del collasso

Una stella di neutroni è uno studio estremo. Uno tipico racchiude circa 1,4 volte la massa del Sole in un raggio di circa 11-13 km, dando una densità paragonabile a un nucleo atomico: centinaia di trilioni di volte più denso dell'acqua. C'è anche un massimo: sopra Limite Tolman–Oppenheimer–Volkoff, la pressione di degenerazione dei neutroni non può più resistere alla gravità e la stella collassa in una buco nero. Le osservazioni delle pulsar più pesanti conosciute collocano tale limite a

M_massimo ≈ 2,2–2,3 masse solari

Stabilire questo limite è un obiettivo importante, perché dipende direttamente dall’incognita equazione di stato della materia ultradensa. La fusione tra stelle di neutroni del 2017 rilevata sia nelle onde gravitazionali che nella luce ha accentuato questi limiti e ha confermato che tali fusioni forgiano elementi pesanti come l’oro e il platino.