Le stelle che esplodono come supernovae sono le principali fonti di elementi chimici pesanti nell'Universo. In particolare, nuclei atomici radioattivi sono sintetizzati nel caldo, regioni più interne durante l'esplosione e possono quindi servire come sonde dei processi fisici non osservabili che iniziano l'esplosione. Utilizzando complesse simulazioni al computer, un team di ricercatori del Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) e RIKEN in Giappone è stato in grado di spiegare le distribuzioni spaziali recentemente misurate del titanio radioattivo e del nichel in Cassiopea A, un residuo gassoso di circa 340 anni di una vicina supernova. I modelli al computer forniscono un forte supporto all'idea teorica che tali eventi di morte stellare possano essere avviati e alimentati da neutrini in fuga dalla stella di neutroni lasciata all'origine dell'esplosione.

Grandi stelle finiscono la loro vita in gigantesche esplosioni, cosiddette supernove. Entro milioni di anni di evoluzione stabile, queste stelle hanno costruito un nucleo centrale composto principalmente da ferro. Quando il nucleo raggiunge circa 1,5 volte la massa del Sole, collassa sotto l'influenza della propria gravità e forma una stella di neutroni. Enormi quantità di energia vengono rilasciate in questo evento catastrofico, principalmente dall'emissione di neutrini. Queste particelle elementari quasi prive di massa sono abbondantemente prodotte all'interno della neonata stella di neutroni, dove la densità è maggiore che nei nuclei atomici e la temperatura può raggiungere i 500 miliardi di gradi Kelvin.

I processi fisici che innescano e guidano l'esplosione sono un enigma irrisolto da oltre 50 anni. Uno dei meccanismi teorici proposti invoca i neutrini, perché portano via più di cento volte l'energia necessaria per una tipica supernova. Mentre i neutrini fuoriescono dall'interno caldo della stella di neutroni, una piccola parte di essi viene assorbita nel gas circostante. Questo riscaldamento provoca moti violenti del gas, simili a quelli in una pentola di acqua bollente. Quando il gorgoglio del gas diventa sufficientemente potente, l'esplosione della supernova inizia come se il coperchio della pentola fosse saltato via. Gli strati esterni della stella morente vengono quindi espulsi nello spazio circumstellare, e con essi tutti gli elementi chimici che la stella ha assemblato mediante combustione nucleare durante la sua vita. Ma anche nuovi elementi vengono creati nel caldo ejecta dell'esplosione, tra queste specie radioattive come il titanio (44Ti con 22 protoni e 22 neutroni) e il nichel (56Ni con 28 neutroni e protoni ciascuno), che decadono in calcio e ferro stabili, rispettivamente. L'energia radioattiva così rilasciata fa brillare la supernova per molti anni.

A causa dell'ebollizione selvaggia del gas riscaldato dal neutrino, l'onda d'urto inizia in modo non sferico e imprime un'asimmetria su larga scala sulla materia stellare espulsa e sulla supernova nel suo insieme (Fig. 1), in accordo con l'osservazione di grumi e asimmetrie in molte supernove e nei loro resti gassosi. L'asimmetria iniziale dell'esplosione ha due conseguenze immediate. Da una parte, la stella di neutroni riceve un momento di rinculo opposto alla direzione dell'esplosione più forte, dove il gas della supernova viene espulso con più violenza. Questo effetto è simile al calcio che riceve una barca a remi quando un passeggero salta giù. D'altra parte, la produzione di elementi pesanti dal silicio al ferro, in particolare anche di titanio e nichel, è più efficiente nelle direzioni in cui l'esplosione è più forte e dove più materia viene riscaldata a temperature elevate.

"Abbiamo previsto entrambi gli effetti alcuni anni fa con le nostre simulazioni tridimensionali (3D) di esplosioni di supernova guidate da neutrini", dice Annop Wongwathanarat, ricercatore presso RIKEN e autore principale della corrispondente pubblicazione del 2013, quando ha lavorato all'MPA in collaborazione con i suoi coautori H.-Thomas Janka e Ewald Müller. "L'asimmetria dell'ejecta radioattivo è più pronunciata se il kick della stella di neutroni è più grande", Aggiunge. Poiché i nuclei atomici radioattivi sono sintetizzati nelle regioni più interne della supernova, molto vicino alla stella di neutroni, la loro distribuzione spaziale riflette più direttamente le asimmetrie di esplosione.

Nuove osservazioni di Cassiopea A (Cas A), il residuo gassoso di una supernova la cui luce raggiunse la Terra intorno all'anno 1680, potrebbe ora confermare questa previsione teorica. Per la sua giovane età e la relativa vicinanza a soli 11 anni di distanza 000 anni luce, Cas A offre due grandi vantaggi per le misurazioni. Primo, il decadimento radioattivo del 44Ti è ancora una fonte di energia efficiente e rilascia radiazioni di raggi X ad alta energia, quindi la presenza di questo nucleo atomico può essere mappata in 3-D con alta precisione. Secondo, la velocità della stella di neutroni è nota sia con la sua magnitudine che con la sua direzione nel piano del cielo. Poiché la stella di neutroni si propaga con una velocità stimata di almeno 350 chilometri al secondo, l'asimmetria nella distribuzione spaziale degli elementi radioattivi dovrebbe essere molto pronunciata. Esattamente questo si vede nelle osservazioni (Fig. 2a).

Mentre il residuo compatto accelera verso l'emisfero inferiore, i gruppi più grandi e luminosi con la maggior parte del 44Ti si trovano nella metà superiore del residuo di gas. La simulazione al computer, visto da una direzione opportunamente scelta, mostra una sorprendente somiglianza con l'immagine osservata (Fig. 2b). Questo può essere visto anche confrontando la visualizzazione 3-D delle simulazioni in Fig. 3 con l'imaging 3-D di Cas A ( www.mpa-garching.mpg.de/452369/news20170621ni ,
www.mpa-garching.mpg.de/452353/news20170621ti).

Ma non solo le distribuzioni spaziali del titanio e del ferro assomigliano a quelle di Cas A. Anche le quantità totali di questi elementi, le loro velocità di espansione, e la velocità della stella di neutroni sono in sorprendente accordo con quelle di Cas A. "Questa capacità di riprodurre le proprietà di base delle osservazioni conferma in modo impressionante che Cas A potrebbe essere il residuo di una supernova guidata da neutrini con i suoi violenti movimenti di gas attorno al nascente stella di neutroni", conclude H.-Thomas Janka.

Ma è necessario più lavoro per dimostrare finalmente che le esplosioni di stelle massicce sono effettivamente alimentate dall'input di energia dei neutrini. "Cas A è un oggetto di così tanto interesse e importanza che dobbiamo anche comprendere le distribuzioni spaziali di altre specie chimiche come il silicio, argon, neon, e ossigeno", osserva Ewald Müller, indicando la bellissima morfologia multicomponente di Cas A rivelata dall'imaging 3D. Anche avere un solo esempio non è sufficiente per fare un caso pienamente convincente. Pertanto, il team ha aderito a una collaborazione più ampia per testare le previsioni teoriche per le esplosioni guidate da neutrini mediante un'attenta analisi di un campione più ampio di giovani resti di supernova. Passo dopo passo i ricercatori sperano quindi di raccogliere prove per poter risolvere l'annoso problema del meccanismo della supernova.