Una nuova teoria sulla formazione delle magnetar

Le magnetar sono caratterizzate dall'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.

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Artist’s impression of the magnetar in the extraordinary star

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 Science Advances, un team di scienziati del CEA, del Saclay, del Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) e dell’Institut de Physique du Globe de Paris, ha sviluppato un nuovo modello informatico senza precedenti che può spiegare la nascita di questi campi giganteschi attraverso l’amplificazione di campi deboli preesistenti, quando stelle di neutroni in rapida rotazione si formano in stelle massicce che stanno collassando.

Magnetar: cosa sono?

Le stelle di neutroni sono oggetti compatti che contengono da una a due masse solari entro un raggio di circa 12 chilometri. Tra questi, le magnetar sono caratterizzate dall’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 ruotare più velocemente di altre stelle di neutroni a causa della maggiore frenata magnetica; le misurazioni dell’evoluzione del loro periodo di rotazione, hanno confermato questa teoria. Ne 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 stelle di neutroni tipiche.

Come si formano?

Le stelle di neutroni si formano generalmente dopo il collasso del nucleo di ferro di una stella massiccia di oltre nove masse solari, mentre gli strati esterni della stella vengono espulsi nello spazio interstellare in una gigantesca esplosione chiamata “supernova di collasso del nucleo”. Alcune teorie quindi ipotizzano che i campi magnetici delle 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 con questa ipotesi è, tuttavia, che campi magnetici molto forti nelle stelle potrebbero rallentare la rotazione del nucleo stellare, in modo che le stelle di neutroni da tali stelle magnetizzate ruotino lentamente.

Questo non ci permetterebbe di spiegare le enormi energie delle esplosioni di ipernova e dei lampi di raggi gamma di lunga durata, in cui le stelle di neutroni in rapida rotazione o i buchi neri che ruotano rapidamente, sono considerate come fonti centrali di grande energia“, osserva il membro del team H.Thomas Janka dell’MPA. Pertanto, appare più attendibile un meccanismo alternativo in cui i campi magnetici estremi potrebbero essere generati durante la formazione della stella di neutroni stessa.

Nei primi secondi successivi al collasso del nucleo stellare, la neonata stella di neutroni si raffredda emettendo neutrini. Questo raffreddamento innesca forti flussi di massa convettivi interni. Tali movimenti violenti della materia stellare potrebbero portare al potenziamento di qualsiasi campo magnetico debole preesistente. Conosciuto come effetto dinamo, questo meccanismo di amplificazione del campo è attivo, ad esempio, nel nucleo di ferro liquido della Terra o nell’involucro convettivo del Sole.

Per testare una simile possibilità per le stelle di neutroni, il team di ricercatori ha utilizzato un supercomputer del Centro di calcolo nazionale francese per simulare la convezione in una stella di neutroni appena nata, molto calda e in rapida rotazione. In effetti, hanno scoperto con questo nuovo approccio di modellizzazione, che i deboli campi magnetici iniziali possono essere amplificati fino a valori che raggiungono 1016 G per periodi di rotazione sufficientemente rapidi.

I nostri modelli dimostrano che periodi di rotazione inferiori a circa 8 millisecondi consentono un processo dinamo più efficiente della rotazione più lenta“, afferma Raphaël Raynaud del CEA, Saclay, 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 delle stelle massicce. Ad esempio, le supernove superluminose emettono cento volte più luce delle solite supernove, mentre altre, dette ipernove, sono caratterizzate da un’energia cinetica più grande di un fattore dieci e talvolta associate a un lampo di raggi gamma che dura 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”.

La teoria “millisecondo magnetar” è attualmente uno dei modelli più promettenti per il motore centrale di eventi così estremi. Consideriamo l’energia di rotazione di una stella di neutroni a rotazione rapida come il serbatoio di energia aggiuntivo che aumenta la potenza dell’esplosione. Esercitando una coppia frenante, un forte campo magnetico dipolo di 1015 G può trasferire l’energia di rotazione della stella di neutroni all’esplosione. “Perché questo meccanismo sia efficiente, la forza del campo deve essere dell’ordine di 1015 G“, spiega il coautore Jérôme Guilet del CEA. “Ciò corrisponde ai valori raggiunti dalle dinamo convettive per i periodi di rotazione di millisecondi“.

Fino ad ora, la principale debolezza della teoria “millisecondo magnetar” era quella di assumere un campo magnetico ad hoc, indipendente dalla velocità di rotazione rapida della stella di neutroni. I risultati ottenuti dal team di ricerca forniscono quindi il supporto teorico mancante a questo motore centrale che alimenta le esplosioni più forti osservate nell’universo.

Riferimenti: Raphaël Raynaud et al. Formazione magnetica attraverso una dinamo convettiva in stelle di protoneutron, Science Advances (2020). DOI: 10.1126 / sciadv.aay2732

Fonte: Phys.org