Questa immagine mostra il bagliore di una kilonova causata dalla fusione di due stelle di neutroni. La kilonova, la cui luminosità di picco arriva fino a 10, 000 volte quello di una nova classica, appare come un punto luminoso (indicato dalla freccia) in alto a sinistra della galassia ospite. Si ritiene che la fusione delle stelle di neutroni abbia prodotto una magnetar, che ha un campo magnetico estremamente potente. L'energia di quel magnetar ha illuminato il materiale espulso dall'esplosione. Credito:NASA, ESA, W. Fong (Università nordoccidentale), e T. Laskar (Università di Bath, UK)
Molto tempo fa e lontano attraverso l'universo, un'enorme esplosione di raggi gamma ha liberato più energia in mezzo secondo di quanta ne produrrà il sole durante la sua intera vita di 10 miliardi di anni.
Dopo aver esaminato lo scoppio incredibilmente luminoso con l'ottica, Raggi X, vicino infrarosso e lunghezze d'onda radio, un team di astrofisica guidato dalla Northwestern University crede di aver potenzialmente individuato la nascita di una magnetar.
I ricercatori ritengono che la magnetar sia stata formata dalla fusione di due stelle di neutroni, che non è mai stato osservato prima. La fusione ha portato a una brillante kilonova, la più brillante mai vista, la cui luce ha finalmente raggiunto la Terra il 22 maggio, 2020. La luce è arrivata per la prima volta come un'esplosione di raggi gamma, chiamato breve lampo di raggi gamma.
"Quando due stelle di neutroni si fondono, il risultato previsto più comune è che formano una stella di neutroni pesante che collassa in un buco nero entro millisecondi o meno, " ha detto Wen-fai Fong della Northwestern, che ha condotto lo studio. "Il nostro studio mostra che è possibile che, per questo particolare lampo gamma corto, l'oggetto pesante è sopravvissuto. Invece di crollare in un buco nero, è diventata una magnetar:una stella di neutroni in rapida rotazione che ha grandi campi magnetici, scaricando energia nell'ambiente circostante e creando il bagliore molto luminoso che vediamo."
La ricerca è stata accettata da The Giornale Astrofisico e sarà pubblicato online entro la fine dell'anno.
Fong è un assistente professore di fisica e astronomia al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e membro del CIERA (Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics). La ricerca ha coinvolto due laureandi, tre studenti laureati e tre borsisti post-dottorato del laboratorio di Fong.
'Un nuovo fenomeno sta accadendo'
Dopo che la luce è stata rilevata per la prima volta dall'Osservatorio Swift di Neil Gehrels della NASA, gli scienziati hanno rapidamente arruolato altri telescopi, tra cui l'Hubble Space Telescope della NASA, il Very Large Array, il W.M. Keck Observatory e Las Cumbres Observatory Global Telescope network, per studiare le conseguenze dell'esplosione e la sua galassia ospite.
Il team di Fong si è subito reso conto che qualcosa non tornava.
Rispetto alle osservazioni a raggi X e radio, l'emissione nel vicino infrarosso rilevata con Hubble era troppo brillante. Infatti, era 10 volte più luminoso del previsto.
"Mentre arrivavano i dati, stavamo formando un'immagine del meccanismo che stava producendo la luce che stavamo vedendo, " ha detto il co-investigatore dello studio, Tanmoy Laskar dell'Università di Bath nel Regno Unito. "Come abbiamo ottenuto le osservazioni di Hubble, abbiamo dovuto cambiare completamente il nostro processo di pensiero, perché le informazioni che Hubble ha aggiunto ci hanno fatto capire che dovevamo scartare il nostro pensiero convenzionale e che c'era un nuovo fenomeno in corso. Poi abbiamo dovuto capire cosa significasse per la fisica dietro queste esplosioni estremamente energetiche".
Mostro magnetico
Fong e il suo team hanno discusso diverse possibilità per spiegare l'insolita luminosità, nota come breve lampo di raggi gamma, che Hubble ha visto. I ricercatori pensano che i brevi lampi siano causati dalla fusione di due stelle di neutroni, oggetti estremamente densi della massa del sole compressi nel volume di una grande città come Chicago. Mentre la maggior parte dei brevi lampi di raggi gamma probabilmente si traducono in un buco nero, le due stelle di neutroni che si sono fuse in questo caso potrebbero essersi combinate per formare una magnetar, una stella di neutroni supermassiccia con un campo magnetico molto potente.
Questa illustrazione mostra la sequenza per la formazione di una kilonova alimentata da magnetar, la cui luminosità di picco arriva fino a 10, 000 volte quello di una nova classica. 1) Due stelle di neutroni orbitanti si avvicinano sempre più a spirale. 2) Si scontrano e si fondono, innescando un'esplosione che libera più energia in mezzo secondo di quanta ne produrrà il Sole durante la sua intera vita di 10 miliardi di anni. 3) La fusione forma una stella di neutroni ancora più massiccia chiamata magnetar, che ha un campo magnetico straordinariamente potente. 4) Il magnetar deposita energia nel materiale espulso, facendolo brillare inaspettatamente alle lunghezze d'onda infrarosse. Credito:NASA, ESA, e D. Player (STScI)
"Fondamentalmente hai queste linee di campo magnetico ancorate alla stella che girano intorno a circa 1, 000 volte al secondo, e questo produce un vento magnetizzato, " ha spiegato Laskar. "Queste linee di campo rotante estraggono l'energia rotazionale della stella di neutroni formatasi nella fusione, e depositare quell'energia nel materiale espulso dall'esplosione, facendo brillare ancora di più il materiale."
"Sappiamo che le magnetar esistono perché le vediamo nella nostra galassia, " Disse Fong. "Pensiamo che la maggior parte di loro si sia formata nelle morti esplosive di stelle massicce, lasciando dietro di sé queste stelle di neutroni altamente magnetizzate. Però, è possibile che una piccola frazione si formi nelle fusioni di stelle di neutroni. Non abbiamo mai visto prove di ciò prima, figuriamoci alla luce infrarossa, rendendo questa scoperta speciale."
Chinonova stranamente brillante
Kilonovae, che sono tipicamente 1, 000 volte più brillante di una nova classica, dovrebbero accompagnare brevi lampi di raggi gamma. Unico per la fusione di due oggetti compatti, bagliore di kilonovae dal decadimento radioattivo di elementi pesanti espulsi durante la fusione, producendo elementi ambiti come l'oro e l'uranio.
"Finora abbiamo solo una kilonova confermata e ben campionata, " disse Jillian Rastinejad, un co-autore del documento e studente laureato nel laboratorio di Fong. "Quindi è particolarmente eccitante trovare una nuova potenziale kilonova che abbia un aspetto così diverso. Questa scoperta ci ha dato l'opportunità di esplorare la diversità delle kilonova e dei loro oggetti rimanenti".
Se l'inaspettata luminosità vista da Hubble provenisse da una magnetar che ha depositato energia nel materiale della kilonova, poi, nel giro di pochi anni, il materiale espulso dal burst produrrà luce che si presenterà a lunghezze d'onda radio. Le osservazioni radio di follow-up potrebbero infine dimostrare che si trattava di una magnetar, che porta a una spiegazione dell'origine di tali oggetti.
"Ora che abbiamo una chinonova candidata molto brillante, "Rastinejad ha detto, "Sono entusiasta per le nuove sorprese che i brevi lampi di raggi gamma e le fusioni di stelle di neutroni hanno in serbo per noi in futuro".
