Cosa sono le pulsar? Sembrano stelle sbattenti – ma non lo sono

Le pulsar sono oggetti sferici e compatti che hanno all'incirca le dimensioni di una grande città ma contengono più massa del sole. Gli scienziati stanno usando le pulsar per studiare gli stati estremi della materia, cercare pianeti oltre il sistema solare terrestre e misurare le distanze cosmiche. Pulsar potrebbe anche aiutare gli scienziati a trovare le onde gravitazionali, che potrebbero indicare la strada per eventi cosmici energetici come le collisioni tra buchi neri supermassicci. Scoperte nel 1967, le pulsar sono affascinanti membri della comunità cosmica.

Cos'è una pulsar?

Dalla Terra, le pulsar sembrano spesso stelle tremolanti. Accesi e spenti, accesi e spenti, sembrano lampeggiare con un ritmo regolare. Ma la luce delle pulsar in realtà non sfarfalla né pulsa, e questi oggetti non sono in realtà stelle.

Le pulsar irradiano due fasci di luce costanti e stretti in direzioni opposte. Sebbene la luce del raggio sia stabile, le pulsar sembrano tremolare perché anche loro ruotano. È lo stesso motivo per cui un faro sembra lampeggiare quando viene visto da un marinaio sull'oceano: mentre la pulsar ruota, il raggio di luce può attraversare la Terra, quindi oscillare fuori vista, quindi tornare indietro. Per un astronomo a terra, la luce entra e scompare, dando l'impressione che la pulsar si accenda e si spenga. Il motivo per cui il raggio di luce di una pulsar ruota come un raggio di un faro è che il raggio di luce della pulsar non è in genere allineato con l'asse di rotazione della pulsar.

Questo diagramma di una pulsar mostra il cono di luce giallo che può essere visto dagli astronomi sulla Terra. Il cono non è allineato con l'asse di rotazione, motivo per cui il raggio attraversa il cielo invece di puntare in una sola direzione. (Credito immagine: NASA)

Poiché il "lampeggio" di una pulsar è causato dalla sua rotazione, la frequenza degli impulsi rivela anche la velocità con cui la pulsar gira. In totale sono state rilevate oltre 2.000 pulsar. La maggior parte di queste ruota nell'ordine di una volta al secondo (queste sono talvolta chiamate "pulsar lente"), mentre sono state trovate più di 200 pulsar che ruotano centinaia di volte al secondo (chiamate "pulsar di millisecondi"). Le pulsar millisecondi più veloci conosciute possono ruotare più di 700 volte al secondo.

Le Pulsar non sono davvero delle stelle o almeno non sono delle stelle "viventi". Le pulsar appartengono a una famiglia di oggetti chiamati stelle di neutroni che si formano quando una stella più massiccia del Sole esaurisce il carburante nel suo nucleo e collassa su se stessa. Questa morte stellare crea tipicamente una massiccia esplosione chiamata supernova. La stella di neutroni è la densa pepita di materiale rimasto dopo questa morte esplosiva.

Le stelle di neutroni hanno in genere un diametro compreso tra 12,4 e 14,9 miglia (da 20 a 24 chilometri), ma possono contenere fino al doppio della massa del sole, che ha un diametro di circa 864.938 miglia (1,392 milioni di km). Un pezzo di materiale delle dimensioni di un cubetto di zucchero proveniente da una stella di neutroni peserebbe circa 1 miliardo di tonnellate (0,9 tonnellate) "più o meno come il Monte Everest", secondo la NASA. L'attrazione gravitazionale sulla superficie di una stella di neutroni sarebbe circa 1 miliardo di volte più forte dell'attrazione gravitazionale sulla superficie della Terra.

L'unico oggetto con una densità maggiore di una stella di neutroni è un buco nero, che si forma anche quando una stella morente collassa. La stella di neutroni più massiccia mai misurata è 2,04 volte la massa del Sole. Gli scienziati non sanno esattamente come possono diventare massicce stelle di neutroni prima che diventino buchi neri, secondo Feryal zel, professore di astronomia e astrofisica all'Arizona State University, specializzato in oggetti compatti e stati estremi della materia nell'universo.

Le pulsar sono anche stelle di neutroni altamente magnetiche. Mentre la Terra ha un campo magnetico abbastanza forte da esercitare un leggero strattone sull'ago di una bussola, le pulsar hanno campi magnetici che vanno da 100 milioni di volte a 1 quadrilione (un milione di miliardi) di volte più forti di quelli della Terra.

"Affinché una stella di neutroni emetta come pulsar, deve avere la giusta combinazione di intensità del campo magnetico e frequenza di rotazione", ha detto Ozel a This Web.com in una e-mail. Alcune stelle di neutroni potrebbero aver irradiato una volta come pulsar, ma non irradiano più (leggi di più sotto). Ozel ha anche notato che il raggio di onde radio emesso da una pulsar potrebbe non passare attraverso il campo visivo di un telescopio terrestre, impedendo agli astronomi di vederlo.

Perché le pulsar girano?

Le pulsar più lente mai rilevate ruotano dell'ordine di una volta al secondo e sono generalmente chiamate pulsar lente. Le pulsar più veloci conosciute possono girare centinaia di volte al secondo e sono conosciute come pulsar veloci o pulsar millisecondi (perché il loro periodo di rotazione è misurato in millisecondi).

Le pulsar ruotano perché ruotano anche le stelle da cui si sono formate e il collasso del materiale stellare aumenterà naturalmente la velocità di rotazione della pulsar. (Portare la massa più vicino al centro di un oggetto rotante ne aumenta la velocità di rotazione, motivo per cui i pattinatori artistici possono girare più velocemente tirando le braccia verso il busto.)

Le pulsar hanno le dimensioni di piccole città, quindi portarle a velocità così elevate non è un'impresa da poco. In effetti, le pulsar di millisecondi richiedono una fonte di energia aggiuntiva per raggiungere una velocità di rotazione così elevata.

Gli scienziati pensano che le pulsar di millisecondi si siano formate rubando energia a un compagno. La pulsar assorbe materia e slancio dalla sua compagna, aumentando gradualmente la velocità di rotazione della pulsar. Questa è una cattiva notizia per la stella compagna, che potrebbe essere completamente divorata dalla pulsar. Questo spiegherebbe perché le pulsar di millisecondi sono state scoperte senza un compagno visibile nelle vicinanze. I sistemi in cui gli scienziati vedono una pulsar che succhia la vita da una stella sono chiamati stelle vedova nera o stelle dal dorso rosso, dal nome di due tipi di ragni pericolosi (succhiatori di vita).

L'impressione artistica di una pulsar che assorbe materiale lontano da una stella compagna, portando alla formazione di una pulsar di un millisecondo. (Credito immagine: Copyright NASA/CXC/M.Weiss)

Cosa fa irradiare una pulsar?

Le pulsar possono irradiare luce in più lunghezze d'onda, dalle onde radio fino ai raggi gamma, la forma di luce più energetica dell'universo.

In che modo le pulsar irradiano luce? Gli scienziati non hanno ancora una risposta dettagliata a questa domanda, secondo Alice Harding, un'astrofisica del Goddard This Web Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, specializzata in pulsar. Inoltre, gli scienziati hanno scoperto che diversi meccanismi sono probabilmente responsabili della produzione di diverse lunghezze d'onda della luce dall'area sopra la superficie della pulsar, ha affermato Harding. I fasci di luce simili a un faro che gli scienziati hanno individuato per la prima volta negli anni '60 sono costituiti da onde radio. Questi fasci di luce sono notevoli perché sono estremamente luminosi e stretti e hanno proprietà simili a quelle di un raggio laser. La luce laser è "coerente", al contrario della luce non coerente irradiata, ad esempio, da una lampadina. In un raggio di luce coerente, le particelle di luce stanno essenzialmente marciando al passo, creando un raggio uniforme e focalizzato. Quando le particelle di luce lavorano insieme in questo modo, possono produrre un raggio di luce esponenzialmente più luminoso di una sorgente di luce diffusa utilizzando la stessa quantità di energia.

Ciò che sembra chiaro agli scienziati è che le emissioni di pulsar sono alimentate dalla rotazione della pulsar e dal suo campo magnetico, secondo Roger Romani, professore di fisica alla Stanford University che studia pulsar e altri oggetti compatti. Le pulsar a rotazione più rapida hanno campi magnetici più deboli rispetto alle pulsar a rotazione più lenta, ma l'aumento della velocità di rotazione è ancora sufficiente per far sì che quelle pulsar veloci irradino fasci luminosi simili a quelli delle pulsar più lente, ha detto Romani.

L'impressione artistica di linee di campo magnetico che avvolgono una pulsar. Il bagliore viola rappresenta la luce dei raggi gamma. L'asse di rotazione della pulsar non viene mostrato e non sarebbe allineato con l'asse del campo magnetico. (Credito immagine: NASA)

L'impressione dell'artista sopra fornisce un'idea di come le linee del campo magnetico di una pulsar circoleranno e si collegheranno ai due poli. Tuttavia, in realtà, mentre la pulsar gira, fa girare il campo magnetico con sé, creando un'immagine molto più intricata.

Un campo magnetico rotante genera un campo elettrico che, a sua volta, può far muovere le particelle cariche (creando una corrente elettrica). La regione sopra la superficie della pulsar che è dominata dal campo magnetico è chiamata magnetosfera. In questa regione, particelle cariche come elettroni e protoni, o atomi carichi, vengono accelerate a velocità estremamente elevate dal campo elettrico molto forte. Ogni volta che le particelle cariche vengono accelerate (il che significa che aumentano la loro velocità o cambiano direzione), irradiano luce. Sulla Terra, strumenti chiamati sincrotroni accelerano le particelle a velocità molto elevate e utilizzano la luce che irradiano per studi scientifici. Nella magnetosfera della pulsar, questo processo di base può generare luce nel campo ottico e dei raggi X.

Ma che dire dei raggi gamma emessi da una pulsar? Le osservazioni mostrano che i raggi gamma sono emessi da una posizione diversa nella Rete che circonda la pulsar rispetto ai fasci di onde radio e a un'altitudine diversa sopra la superficie, ha detto Harding. E, invece che in un raggio stretto, simile a una matita, i raggi gamma vengono emessi a forma di ventaglio. Ma proprio come per le emissioni di onde radio, gli scienziati stanno ancora discutendo l'esatto meccanismo responsabile della generazione di raggi gamma da una pulsar.

Trovare pulsar

Gli scienziati hanno scoperto le pulsar utilizzando radiotelescopi e la radio continua a essere il mezzo principale per cacciare questi oggetti.

Poiché le pulsar sono piccole e deboli rispetto a molti altri oggetti celesti, gli scienziati le trovano utilizzando rilevamenti di tutto il cielo: un telescopio scansiona l'intero cielo e, nel tempo, gli scienziati possono cercare oggetti che sfarfallano dentro e fuori dalla vista. Il radiotelescopio di Parkes in Australia ha trovato la maggior parte delle pulsar conosciute. Altri telescopi che hanno dato un contributo importante alle ricerche sulle pulsar sono il radiotelescopio Arecibo a Porto Rico, il Green Bank Telescope in West Virginia, il telescopio Molonglo in Australia e il telescopio Jodrell Bank in Inghilterra.

Migliaia di nuove pulsar potrebbero essere rilevate da due radiotelescopi che dovrebbero iniziare a raccogliere dati nei prossimi cinque anni, secondo Scott Ransom, astronomo del National Radio Astronomy Observatory (NRAO) a Charlottesville, in Virginia. I telescopi sono il Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope (FAST in breve), la cui costruzione di base potrebbe essere completata già a settembre 2016, e lo Square Kilometer Array (SKA), finanziato da un consorzio di paesi. La costruzione dello SKA inizierà nel 2018, con sedi sia in Sud Africa che in Australia. Il sito web dell'organizzazione afferma che le prime osservazioni scientifiche potrebbero iniziare nel 2020, ma l'array non raggiungerà le operazioni scientifiche complete (entrambe le strutture) fino al 2030.

Il Fermi Gamma-ray This Web Telescope, lanciato nel giugno 2008, ha rilevato 2.050 pulsar che emettono raggi gamma, comprese 93 pulsar di millisecondi di raggi gamma. Fermi è stato particolarmente utile perché scansiona l'intero cielo, mentre la maggior parte dei rilievi radio in genere scansiona solo sezioni del cielo lungo il piano della Via Lattea.

Una mappa del cielo che mostra pulsar di raggi gamma rilevate con lo strumento LAT sul telescopio a raggi gamma Fermi. Sopra sono mostrate le pulsar di raggi gamma rilevate con il LAT: CGRO PSR (più), giovani radio-selezionati (cerchio), giovani gamma-selezionati (quadrato) e MSP (diamante). (Credito immagine: Fermi-LAT/GSFC)

Rilevare diverse lunghezze d'onda della luce da una pulsar può essere difficile. Il raggio di onde radio di una pulsar potrebbe essere molto potente, ma se non attraversa la Terra (ed entra nel campo visivo di un telescopio), gli astronomi potrebbero non vederlo. L'emissione di raggi gamma da una pulsar può attraversare un'area più ampia del cielo, ma può anche essere più debole e più difficile da rilevare.

Al 22 marzo 2016, gli scienziati conoscono circa 2.300 pulsar per le quali sono state rilevate solo onde radio e circa 160 pulsar che irradiano raggi gamma. Gli scienziati ora conoscono pulsar da 240 millisecondi, 60 delle quali irradiano raggi gamma, ha detto Ransom. Questi numeri cambiano frequentemente quando vengono scoperte nuove pulsar.

Usi delle pulsar

Le pulsar sono fantastici strumenti cosmici per gli scienziati per studiare un'ampia gamma di fenomeni.

La luce emessa da una pulsar trasporta informazioni su questi oggetti e su cosa sta accadendo al loro interno. Ciò significa che le pulsar forniscono agli scienziati informazioni sulla fisica delle stelle di neutroni, che sono il materiale più denso dell'universo (ad eccezione di qualunque cosa accada alla materia all'interno di un buco nero). Sotto tale incredibile pressione, la materia si comporta in modi mai visti prima in nessun altro ambiente dell'universo. Lo strano stato della materia all'interno delle stelle di neutroni è ciò che gli scienziati chiamano "pasta nucleare": a volte gli atomi si dispongono in fogli piatti, come le lasagne, o spirali come i fusilli, o piccole pepite come gli gnocchi.

Alcune pulsar si dimostrano estremamente utili anche per la precisione dei loro impulsi. Ci sono molte pulsar conosciute che lampeggiano con una regolarità così precisa; sono considerati gli orologi naturali più accurati dell'universo. Di conseguenza, gli scienziati possono osservare i cambiamenti nel battito di ciglia di una pulsar che potrebbero indicare qualcosa che sta accadendo nel vicino This Web.

È stato con questo metodo che gli scienziati hanno iniziato a identificare la presenza di pianeti alieni in orbita attorno a questi oggetti densi. In effetti, il primo pianeta al di fuori del sistema solare terrestre mai trovato era in orbita attorno a una pulsar.

Poiché le pulsar si muovono attraverso questa rete mentre lampeggiano anche un numero regolare di volte al secondo, gli scienziati possono utilizzare molte pulsar per calcolare le distanze cosmiche. La posizione mutevole della pulsar significa che la luce che emette impiega più o meno tempo per raggiungere la Terra. Grazie alla squisita tempistica degli impulsi, gli scienziati hanno effettuato alcune delle misurazioni della distanza più accurate degli oggetti cosmici.

Le pulsar sono state utilizzate per testare aspetti della teoria della relatività generale di Albert Einstein, come la forza di gravità universale.

La sincronizzazione regolare delle pulsar può anche essere interrotta dalle onde gravitazionali, le increspature in This Web-time previste da Einstein e rilevate direttamente per la prima volta nel febbraio 2016. Ci sono diversi esperimenti attualmente alla ricerca di onde gravitazionali tramite questo metodo pulsar.

L'uso delle pulsar per questi tipi di applicazioni dipende da quanto sono stabili nella loro rotazione (fornendo così lampeggiamenti molto regolari), ha detto Ransom. Tutte le pulsar rallentano gradualmente mentre girano; ma quelli usati per misurazioni di precisione stanno rallentando a un ritmo incredibilmente lento, quindi gli scienziati possono ancora usarli come dispositivi di cronometraggio stabili.

Queste immagini della pulsar del granchio (si apre in una nuova scheda), scattate dall'Osservatorio a raggi X Chandra per diversi mesi, mostrano la pulsar bianca brillante al centro e getti di materia che vomitano via. (Credito immagine: NASA/CXC/ASU/J.Hester et al.)

Cimiteri Pulsar

Tutte le pulsar rallentano gradualmente man mano che invecchiano. La radiazione emessa da una pulsar è alimentata congiuntamente dal suo campo magnetico e dal suo spin. Di conseguenza, anche una pulsar che rallenta perde potenza e smette gradualmente di emettere radiazioni (o almeno smette di emettere abbastanza radiazioni da essere rilevate dai telescopi), ha detto Harding. Le osservazioni finora suggeriscono che le pulsar scendono al di sotto della soglia di rilevamento con i raggi gamma prima delle onde radio. Quando le pulsar raggiungono questa fase della vita, entrano in quello che è noto come il cimitero delle pulsar. (Le pulsar che hanno smesso di emettere possono essere considerate dagli astronomi normali stelle di neutroni).

Quando una pulsar si forma dal relitto di una supernova, ruota velocemente e irradia molta energia, ha detto Ransom. La ben studiata Crab Pulsar è un esempio di una pulsar così giovane. Questa fase può durare per alcune centinaia di migliaia di anni, dopodiché la pulsar inizia a rallentare ed emette solo onde radio. Queste pulsar "di mezza età" probabilmente costituiscono la maggior parte della popolazione di pulsar identificate come che emettono solo onde radio, ha aggiunto. Queste pulsar vivono per decine di milioni di anni prima di rallentare così tanto che "muoiono" ed entrano nel cimitero delle pulsar.

Ma se la pulsar si trova vicino a una compagna stellare, potrebbe essere "riciclata", il che significa che sottrae materiale ed energia dal suo vicino, aumentando la sua rotazione a centinaia di volte al secondo creando così una pulsar di millisecondi e dando alla pulsar una volta morta nuova vita. Questo cambiamento può verificarsi in qualsiasi momento nella vita di una pulsar, il che significa che la velocità di rotazione di una pulsar "morente" può aumentare da centinaia a milioni di anni. La pulsar inizia a emettere raggi X e la coppia di oggetti è nota come "binario a raggi X di piccola massa", ha detto Ransom. (Queste pulsar cannibalistiche sono state chiamate pulsar "vedova nera" o pulsar "redback" in riferimento a due specie di ragni noti per uccidere i loro compagni). Le pulsar di millisecondi sono le più antiche pulsar conosciute, alcune hanno miliardi di anni e continueranno a girare a quelle velocità elevate per miliardi di anni.

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