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    Una nuova teoria sulla formazione della magnetar

    Figura 1:istantanee 3D delle linee del campo magnetico nella zona convettiva all'interno di una stella di neutroni appena nata. I flussi in entrata (in uscita) sono rappresentati dalle superfici blu (rosse). A sinistra:scoperta una dinamo a campo forte per periodi di rotazione rapida di pochi millisecondi, dove la componente dipolo raggiunge 1015 G. A destra:per una rotazione più lenta, il campo magnetico è fino a dieci volte più debole. Credito:CEA Sacley

    Le magnetar sono stelle di neutroni dotate dei più forti campi magnetici osservati nell'universo, ma la loro origine rimane controversa. In uno studio pubblicato su Progressi scientifici , un team di scienziati del CEA, Saclay, l'Istituto Max Planck di Astrofisica (MPA), e l'Institut de Physique du Globe de Paris ha sviluppato un nuovo modello computerizzato senza precedenti che può spiegare la genesi di questi campi giganteschi attraverso l'amplificazione di campi deboli preesistenti quando stelle di neutroni in rapida rotazione nascono in stelle massicce che collassano. L'opera apre nuove strade per comprendere le esplosioni più potenti e più luminose di tali stelle.

    Magnetar:cosa sono?

    Le stelle di neutroni sono oggetti compatti contenenti da una a due masse solari entro un raggio di circa 12 chilometri. Tra loro, le magnetar sono caratterizzate da emissione eruttiva di raggi X e raggi gamma. L'energia associata a queste esplosioni di radiazioni intense è probabilmente correlata a campi magnetici ultra-forti. Le magnetar dovrebbero quindi rallentare più velocemente delle altre stelle di neutroni a causa della maggiore frenatura magnetica, e le misurazioni dell'evoluzione del loro periodo di rotazione hanno confermato questo scenario. Deduciamo quindi che le magnetar hanno un campo magnetico dipolo dell'ordine di 10 15 Gauss (G), cioè., fino a 1000 volte più forte delle tipiche stelle di neutroni! Sebbene l'esistenza di questi tremendi campi magnetici sia ormai ben stabilita, la loro origine rimane controversa.

    Come si formano?

    Le stelle di neutroni si formano generalmente dopo il collasso del nucleo di ferro di una stella massiccia di più di nove masse solari, mentre gli strati esterni della stella vengono espulsi nello spazio interstellare in una gigantesca esplosione chiamata supernova con collasso del nucleo. Alcune teorie quindi presumono che i campi magnetici di stelle di neutroni e magnetar potrebbero essere ereditati dalle loro stelle progenitrici, il che significa che i campi potrebbero essere interamente determinati dalla magnetizzazione del nucleo di ferro prima del collasso. Il problema di questa ipotesi è che però, che campi magnetici molto forti nelle stelle potrebbero rallentare la rotazione del nucleo stellare in modo che le stelle di neutroni di tali stelle magnetizzate ruotino solo lentamente.

    "Questo non ci permetterebbe di spiegare le enormi energie delle esplosioni di ipernova e dei lampi di raggi gamma di lunga durata, dove le stelle di neutroni in rapida rotazione o i buchi neri in rapida rotazione sono considerati le fonti centrali delle enormi energie, " commenta il membro del team H.-Thomas Janka di MPA. Pertanto, un meccanismo alternativo appare più favorevole, in cui i campi magnetici estremi potrebbero essere generati durante la formazione della stella di neutroni stessa.

    Figura 2:Intensità della componente dipolare del campo magnetico in funzione del periodo di rotazione. La linea tratteggiata verticale corrisponde al periodo di rotazione in cui le forze centrifughe interrompono la neonata stella di neutroni. I punti blu indicano la normale amplificazione dei campi magnetici quando la stella di neutroni ruota lentamente. I punti rossi corrispondono al forte ramo di dinamo che appare per le velocità di rotazione più elevate. Le proprietà del campo magnetico generato su questo ramo sono compatibili con le proprietà delle magnetar galattiche e le condizioni per alimentare le esplosioni stellari più estreme. Credito:CEA Sacley

    Nei primi secondi successivi al collasso del nucleo stellare, la neonata stella calda di neutroni si raffredda emettendo neutrini. Questo raffreddamento innesca forti flussi di massa convettivi interni, simile al gorgoglio dell'acqua bollente in una pentola su un fornello. Moti così violenti della materia stellare potrebbero portare all'aumento di qualsiasi debole campo magnetico preesistente. Conosciuto come effetto dinamo, questo meccanismo di amplificazione di campo è al lavoro, ad esempio, nel nucleo di ferro liquido della Terra o nell'involucro convettivo del Sole.

    Per testare tale possibilità per le stelle di neutroni, il team di ricercatori ha utilizzato un supercomputer del Centro nazionale di calcolo francese per l'istruzione superiore per simulare la convezione in un neonato, stella di neutroni molto calda e in rapida rotazione. Infatti, hanno trovato da questo nuovo approccio di modellazione, che era più dettagliato di qualsiasi altro trattamento usato prima, che i deboli campi magnetici iniziali possono essere amplificati fino a valori che raggiungono i 10 16 G per periodi di rotazione sufficientemente rapidi (vedi Fig. 1).

    "I nostri modelli dimostrano che periodi di rotazione inferiori a circa 8 millisecondi consentono un processo dinamo più efficiente rispetto a una rotazione più lenta, " dice Raphaël Raynaud di CEA, Saclay, l'autore principale della pubblicazione. "I modelli a rotazione più lenta non mostrano gli enormi campi creati da questa forte dinamo".

    Le più grandi bombe cosmiche?

    Oltre a far luce sulla formazione della magnetar galattica, questi risultati aprono nuove strade per comprendere le esplosioni più potenti e più luminose di stelle massicce. Ad esempio, le supernove superluminose emettono cento volte più luce delle normali supernovae, mentre altri, chiamate ipernove, sono caratterizzati da un'energia cinetica maggiore di un fattore dieci e talvolta associata a un lampo gamma della durata di diverse decine di secondi. Queste eccezionali esplosioni ci costringono a immaginare processi non standard che devono estrarre enormi quantità di energia da un "motore centrale".

    Lo scenario del "millisecondi magnetar" è attualmente uno dei modelli più promettenti per il motore centrale di tali eventi estremi. Considera l'energia di rotazione di una stella di neutroni in rapida rotazione come riserva di energia aggiuntiva che aumenta la potenza dell'esplosione. Esercitando una coppia frenante, un forte campo magnetico dipolo di 10 15 G can transfer the neutron star's rotational energy to the explosion. "For this mechanism to be efficient, the field strength must be of the order of 10 15 G, " explains coauthor Jérôme Guilet of CEA, Saclay. "This closely matches the values reached by convective dynamos for millisecond rotation periods" (see Fig. 2).

    Fino ad ora, the main weakness of the millisecond magnetar scenario was to assume an ad hoc magnetic field, independent of the fast rotation rate of the neutron star. The results obtained by the research team thus provide theoretical support that was missing to this central engine scenario powering the strongest explosions observed in the universe.


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