Fare chiarezza sulla sottile linea tra stella di neutroni centrale e buco nero
Quando la loro massa supera le 260-300 masse solari, è risaputo che le stelle nei loro momenti finali formano dei buchi neri. Al di sotto di questo intervallo di valori della massa, tuttavia, le cose diventano un po’ più imprevedibili. Con valori compresi tra 8 e 140 masse solari, il collasso del nucleo porterà a una stella di neutroni centrale o forse a un buco nero. La domanda è, qual è la regione di transizione in cui diventa più probabile la formazione di un buco nero invece di quella di una stella di neutroni centrale? “Abbiamo tentato di comprendere meglio le fasi finali dell’evoluzione stellare,” afferma Friedrich Thielemann, professore emerito di fisica teorica all’Università di Basilea in Svizzera. “Sappiamo che le stelle con una massa ridotta diventano delle nane bianche. Sappiamo anche che con una massa superiore a 8 Msol (masse solari), abbiamo un collasso stellare finale dopo la produzione di un nucleo di ferro. La domanda ancora aperta riguarda la transizione tra supernove con collasso del nucleo (che lasciano una stella di neutroni centrale) e la formazione dei buchi neri. Grazie alle recenti osservazioni delle onde gravitazionali effettuate da LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), sappiamo che ci sono buchi neri con masse di circa 30 Msol e persino inferiori in alcuni casi.” Per la sua ricerca, il prof. Thielemann ha attinto da settori quali la fisica nucleare lontana dalla stabilità, l’equazione di stato degli oggetti densi, la magnetoidrodinamica 3D con trasporto di neutrini e metodi computazionali. Nel corso del primo anno del progetto, egli ha sviluppato banche dati delle equazioni nucleari di stato e delle reazioni nucleari all’interno della tabella nucleare. Il suo team: ha messo a disposizione un codice di approssimazione della sorgente di diffusione isotropica (Isotropic diffusion source approximation, IDSA) per il trasporto multidimensionale di neutrini; ha fornito un dettagliato confronto dei codici per le simulazioni magnetoidrodinamiche del collasso del nucleo; e ha effettuato previsioni relative alla nucleosintesi per fusioni di magnetar/collapsar e stelle di neutroni, per comprendere l’evoluzione temporale degli elementi più pesanti durante l’evoluzione delle galassie. In seguito è giunta la parte pesante, con simulazioni della produzione di elementi di massa intermedia e del gruppo del ferro in collapsar/ipernove/lampi di raggi gamma: “Noi abbiamo potuto simulare il collasso stellare per un ampio intervallo di masse e abbiamo notato che vi è una transizione (graduale) verso la formazione di buchi neri leggermente al di sotto delle 25 Msol, ma questo dipende anche molto dalla densità del progenitore stellare,” spiega il prof. Thielemann. “La formazione dei buchi neri è anche possibile al di sotto delle 25 Msol, mentre le esplosioni delle supernove sono possibili anche al di sopra delle 25 Msol.” Grazie alle simulazioni multi-D, il team ha anche svelato alcuni aspetti della formazione dei buchi neri ed è riuscito a prevedere le emissioni di onde gravitazionali. Essi sono stati in grado di determinare in quale tipo di esplosioni la materia trasformata viene espulsa, qual è la composizione della materia risultante dalla combustione nucleare esplosiva e come questo sia in grado di spiegare l’evoluzione degli elementi chimici durante l’evoluzione delle galassie. “Abbiamo inoltre trovato un importante canale aggiuntivo, dove si formano i buchi neri durante la fusione di due stelle di neutroni risultanti da precedenti supernove, che emettono grandi quantità di elementi molto pesanti prima di formare un buco nero,” afferma con entusiasmo il prof. Thielemann. Grazie al lavoro effettuato nell’ambito del progetto FISH (FaInt Supernovae and Hypernovae: Mechanism and Nucleosynthesis), la comunità scientifica può adesso comprendere meglio l’evoluzione delle abbondanze di elementi durante l’evoluzione delle galassie, e determinare quali eventi esplosivi sono stati responsabili per quali elementi e in che modo la loro produzione cambia con il passare del tempo. Dalla conclusione del progetto nel mese di dicembre del 2016, il team ha lavorato duramente sulle fusioni di stelle di neutroni che a quanto pare sono state osservate molto recentemente da LIGO/VIRGO, e che possono anche essere viste come lampi di raggi gamma di breve durata nello spettro del vicino infrarosso.
Parole chiave
FISH, buco nero, stella neutroni, stella massiccia, evoluzione stellare, supernova, LIGO, onda gravitazionale, collasso stella