Un team internazionale di astronomi, tra cui il professor Mike Barlow dell'UCL (University College di Londra), ha scoperto la prima prova conclusiva dell'esistenza di una stella di neutroni al centro della Supernova 1987A, un'esplosione stellare osservata 37 anni fa.
Le supernovae sono lo spettacolare risultato finale del collasso di stelle più massicce di 8-10 volte la massa del Sole. Sono le principali fonti di elementi chimici (come carbonio, ossigeno, silicio e ferro) che rendono possibile la vita. Il nucleo collassato di queste stelle che esplodono può dare origine a stelle di neutroni molto più piccole, composte dalla materia più densa dell'universo conosciuto, o a buchi neri.
La supernova 1987A, situata nella Grande Nube di Magellano, una galassia nana vicina, è stata la supernova più vicina e luminosa vista nel cielo notturno negli ultimi 400 anni.
I neutrini, particelle subatomiche inimmaginabilmente piccole, furono prodotti nella supernova e rilevati sulla Terra (23 febbraio 1987) il giorno prima che la supernova fosse vista, indicando che doveva essersi formata una stella di neutroni. Tuttavia, non è noto se la stella di neutroni sia sopravvissuta o sia collassata in un buco nero, poiché la stella è stata oscurata dalla polvere formatasi dopo l'esplosione.
Nel nuovo studio, pubblicato sulla rivista Science , i ricercatori hanno utilizzato due strumenti sul James Webb Space Telescope (JWST), MIRI e NIRSpec, per osservare la supernova alle lunghezze d'onda dell'infrarosso e hanno trovato prove di atomi pesanti di argon e zolfo i cui elettroni esterni erano stati strappati via (cioè gli atomi erano stati ionizzati). vicino al luogo in cui è avvenuta l'esplosione della stella.
Il team ha modellato vari scenari e ha scoperto che questi atomi avrebbero potuto essere ionizzati solo dalla radiazione ultravioletta e dai raggi X provenienti da una stella di neutroni calda e raffreddata o, in alternativa, dai venti di particelle relativistiche accelerate da una stella di neutroni in rapida rotazione e che interagiscono con materiale circostante della supernova (nebulosa del vento pulsar).
Se il primo scenario fosse vero, la superficie della stella di neutroni sarebbe di circa un milione di gradi, essendosi raffreddata dai 100 miliardi di gradi circa al momento della formazione al centro del collasso più di 30 anni prima.
Il coautore Professor Mike Barlow (UCL Physics &Astronomy) ha detto:"La nostra rilevazione con gli spettrometri MIRI e NIRSpec di James Webb di forti linee di emissione di argon ionizzato e zolfo dal centro stesso della nebulosa che circonda la Supernova 1987A è la prova diretta della presenza di una fonte centrale di radiazioni ionizzanti. I nostri dati possono essere adattati solo con una stella di neutroni come fonte di energia di quella radiazione ionizzante.
"Questa radiazione può essere emessa dalla superficie di milioni di gradi della calda stella di neutroni, così come da una nebulosa di vento pulsar che potrebbe essere stata creata se la stella di neutroni girasse rapidamente e trascinasse particelle cariche attorno a sé.
"Il mistero sulla possibilità che una stella di neutroni si nasconda nella polvere dura da più di 30 anni ed è entusiasmante che siamo riusciti a risolverlo.
"Le supernovae sono le principali fonti di elementi chimici che rendono possibile la vita, quindi vogliamo che i nostri modelli siano corretti. Non c'è nessun altro oggetto come la stella di neutroni della Supernova 1987A, così vicina a noi e formatasi così di recente. Perché le il materiale che lo circonda si sta espandendo, ne vedremo di più col passare del tempo."
Il professor Claes Fransson (Università di Stoccolma, Svezia), autore principale dello studio, ha dichiarato:"Grazie alla superba risoluzione spaziale e agli eccellenti strumenti di JWST siamo stati in grado, per la prima volta, di sondare il centro della supernova e cosa è stato creato lì.
"Ora sappiamo che esiste una sorgente compatta di radiazioni ionizzanti, molto probabilmente proveniente da una stella di neutroni. La stavamo cercando dal momento dell'esplosione, ma abbiamo dovuto aspettare che JWST fosse in grado di verificare le previsioni."
Il Dr. Patrick Kavanagh (Maynooth University, Irlanda), un altro autore dello studio, ha dichiarato:"È stato davvero emozionante osservare per la prima volta le osservazioni JWST di SN 1987A. Mentre controllavamo i dati MIRI e NIRSpec, l'emissione molto brillante dall'argon al centro della SN 1987A abbiamo capito subito che si trattava di qualcosa di speciale che poteva finalmente rispondere alla domanda sulla natura dell'oggetto compatto."
Il professor Josefin Larsson (Royal Institute of Technology (KTH), Svezia), coautore dello studio, ha dichiarato:"Questa supernova continua a offrirci sorprese. Nessuno aveva previsto che l'oggetto compatto sarebbe stato rilevato attraverso una linea di emissione super forte da argon, quindi è piuttosto divertente che sia così che l'abbiamo trovato nel JWST."
I modelli indicano che gli atomi pesanti di argon e zolfo vengono prodotti in grande abbondanza a causa della nucleosintesi all'interno delle stelle massicce immediatamente prima che esplodano.
Mentre la maggior parte della massa della stella in esplosione si sta ora espandendo fino a 10.000 km/secondo ed è distribuita su un grande volume, gli atomi di argon e zolfo ionizzati sono stati osservati vicino al centro dove è avvenuta l'esplosione.
La radiazione ultravioletta e i raggi X che si ritiene abbiano ionizzato gli atomi furono previsti nel 1992 come una firma unica di una stella di neutroni appena creata.
Questi atomi ionizzati sono stati rilevati dagli strumenti MIRI e NIRSpec di James Webb utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia, in cui la luce viene dispersa in uno spettro, consentendo agli astronomi di misurare la luce a diverse lunghezze d'onda per determinare le proprietà fisiche di un oggetto, inclusa la sua composizione chimica.
Un team dell'UCL presso il Mullard Space Science Laboratory ha progettato e costruito la sorgente di calibrazione NIRSpec, che consente allo strumento di effettuare misurazioni più precise fornendo un'illuminazione di riferimento uniforme dei suoi rilevatori.
Il nuovo studio ha coinvolto ricercatori provenienti da Regno Unito, Irlanda, Svezia, Francia, Germania, Stati Uniti, Paesi Bassi, Belgio, Svizzera, Austria, Spagna e Danimarca.
SN 1987A è la supernova più studiata e meglio osservata di tutte.
Esplosa il 23 febbraio 1987 nella Grande Nube di Magellano nel cielo meridionale a una distanza di 160.000 anni luce, è stata la supernova più vicina dall'ultima supernova osservata a occhio nudo da Giovanni Keplero nel 1604. Per diversi mesi prima che svanisse, SN 1987A potrebbe essere visto ad occhio nudo anche a questa distanza.
Ancora più importante, è l’unica supernova ad essere stata rilevata attraverso i suoi neutrini. Ciò è molto significativo poiché si prevedeva che il 99,9% dell'enorme energia emessa in questo evento sarebbe andata persa sotto forma di queste particelle che interagiscono in modo estremamente debole.
Il restante 0,1% appare nell'energia di espansione del residuo e come luce. Dell'enorme numero (circa 10 alla 58) di neutrini emessi, circa 20 sono stati rilevati da tre diversi rilevatori attorno alla Terra, a partire dal collasso nel nucleo della stella il 23 febbraio alle 7:35:35 UT.
SN 1987A è stata anche la prima supernova in cui è stato possibile identificare la stella esplosa dalle immagini scattate prima dell'esplosione. Oltre ai neutrini, il risultato più interessante del collasso e dell'esplosione è la previsione che si sarebbe creato un buco nero o una stella di neutroni. Questo costituisce solo il nucleo centrale della stella collassata, con una massa pari a 1,5 volte quella del sole. Il resto viene espulso con una velocità fino al 10% della velocità della luce, formando il residuo in espansione che osserviamo direttamente oggi.
La "lunga" durata di 10 secondi del lampo di neutrini indicava la formazione di una stella di neutroni, ma nonostante diverse indicazioni interessanti provenienti da osservazioni radio e raggi X, fino ad ora non era stata trovata alcuna prova conclusiva di un oggetto compatto, ed era la principale rimanente problema irrisolto per SN 1987A.
Una ragione importante potrebbe essere la grande massa di particelle di polvere che sappiamo si è formata negli anni successivi all'esplosione. Questa polvere potrebbe bloccare la maggior parte della luce visibile dal centro e quindi nascondere l'oggetto compatto alle lunghezze d'onda visibili.
Nel loro studio gli autori discutono due possibilità principali:o la radiazione proveniente dalla calda stella di neutroni appena nata, di milioni di gradi, o, in alternativa, la radiazione proveniente da particelle energetiche accelerate nel forte campo magnetico della stella di neutroni in rapida rotazione (pulsar). Questo è lo stesso meccanismo che funziona nella famosa Nebulosa del Granchio con la sua pulsar al centro, che è il resto della supernova osservata dagli astronomi cinesi nel 1054.
I modelli di questi due scenari danno luogo a previsioni simili per lo spettro, che concordano bene con le osservazioni, ma sono difficili da distinguere. Ulteriori osservazioni con JWST e telescopi terrestri in luce visibile, nonché con il telescopio spaziale Hubble, potrebbero essere in grado di distinguere questi modelli.
In entrambi i casi, queste nuove osservazioni con JWST forniscono prove convincenti dell'esistenza di un oggetto compatto, molto probabilmente una stella di neutroni, al centro di SN 1987A.
In sintesi, queste nuove osservazioni di JWST, insieme alle precedenti osservazioni del progenitore e dei neutrini, forniscono un quadro completo di questo oggetto unico.
Ulteriori informazioni: C. Fransson, Linee di emissione dovute alla radiazione ionizzante di un oggetto compatto nel resto della Supernova 1987A, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adj5796. www.science.org/doi/10.1126/science.adj5796
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