Le pulsar sono fondamentalmente fari cosmici. Sono stelle di neutroni in rapida rotazione, i cadaveri super densi di stelle massicce esplose come supernove. Questi oggetti sono incredibilmente densi. Una singola stella di neutroni racchiude tra 1,18 e 1,97 volte la massa del nostro Sole in una sfera larga appena 20 chilometri. La maggior parte si trova intorno a 1,35 masse solari.
Girano. Veloce.
Il primo di questi oggetti fu trovato nel 1967 da Antony Hewish e Jocelyn Bell presso l’Università di Cambridge. Hanno usato un radiotelescopio progettato per catturare rapide fluttuazioni nelle sorgenti radio. Ciò che vedevano erano pulsazioni estremamente regolari. Alcune pulsar emettono onde radio. Altri lampeggiano nella luce visibile, nei raggi X o nelle radiazioni gamma. Ce ne sono anche di radio-silenziosi che urlano solo nei raggi X o nelle lunghezze d’onda gamma.
Il meccanismo è semplice ma violento. Quando una stella collassa, i neutroni sulla superficie decadono in protoni ed elettroni. Queste particelle cariche vengono strappate via dalla superficie e colpiscono un intenso campo magnetico. Stiamo parlando di 10^12 gauss qui. Per contestualizzare, il campo magnetico della Terra è un debole 0,5 gauss.
Le particelle accelerano fino a velocità prossime alla luce. Emettono radiazione di sincrotrone. Questo viene emesso come raggi intensi dai poli magnetici. Ma ecco il problema: i poli magnetici non si allineano con i poli rotazionali. Quindi, mentre la stella gira, quei raggi attraversano lo spazio. Se la Terra si trova sul percorso, rileviamo un impulso costante e ritmico.
Da quella prima scoperta, gli astronomi hanno trovato circa 2.000 pulsar. Non sono sparsi in modo casuale. La maggior parte si raggruppa attorno al piano della Via Lattea.
Il record di velocità
Le pulsar variano enormemente nella velocità con cui ruotano. La pulsar più lenta impiega circa 11,8 secondi per completare una rotazione. È lento per una stella.
Poi ci sono le pulsar millisecondo.
Per oltre due decenni, il detentore del record è stato PSR J1939+2134. Scoperto nel 1982, gira 642 volte al secondo. Il suo periodo è di soli 1,55 millisecondi.
Nel 2006 quel record è stato battuto. J1748−2446ad gira 716 volte al secondo. Il suo periodo è 1.396 millisecondi.
Perché c’è un limite? Forza centrifuga. Se una stella di neutroni gira molto più velocemente, la forza al suo equatore supera la gravità. La stella si farebbe a pezzi. La velocità di fuga sulla superficie di una stella di neutroni è circa la metà della velocità della luce. L’attrazione gravitazionale è così forte. Eppure queste stelle si spingono proprio contro il limite teorico.
Le pulsar millisecondo si formano solitamente nei sistemi stellari binari. La stella di neutroni accumula materia dalla sua compagna dopo la supernova. La massa aggiunta e il momento angolare lo fanno girare. È come un pattinatore che li tira tra le braccia, ma su scala galattica.
Glitch e onde gravitazionali
Le pulsar stanno rallentando. Molto lentamente. In genere di un milionesimo di secondo all’anno.
Questo rallentamento consente agli astronomi di calcolare una “età caratteristica”. Prendi il periodo corrente e dividilo per il tasso di rallentamento. È una stima approssimativa. A volte corrisponde all’età effettiva. La Pulsar del Granchio, nata da una supernova nel 1054 d.C., ha un’età caratteristica di 1.240 anni. È vicino.
Altre volte, è spento. Pulsar J0205+6449 formato nel 1181 d.C. La sua età caratteristica è di 5.390 anni. È decisamente fuori luogo.
Poiché il rallentamento è così graduale, questi oggetti sono orologi incredibilmente precisi. E poiché hanno campi gravitazionali così forti, sono soggetti di prova perfetti per le teorie della gravità.
Nel 1993 Joseph Taylor e Russell Hulse vinsero il Premio Nobel per la fisica. Hanno studiato la pulsar PSR 1913+16. È in un’orbita stretta con un’altra stella di neutroni. La gravità delle due stelle interferisce con la regolarità degli impulsi radio. Calcolando queste variazioni, Taylor e Hulse videro le stelle ruotare sempre più velocemente in un’orbita che si restringeva.
Stavano perdendo energia. L’unica spiegazione erano le onde gravitazionali. Questa fu la prima prova sperimentale delle onde previste da Albert Einstein nella sua teoria della relatività generale.
Poi ci sono i difetti.
Un glitch è un salto improvviso nel periodo della pulsar. Si avvia, quindi rallenta gradualmente fino al valore precedente al glitch. Ciò accade a causa degli “starquati”. La dura crosta di ferro della stella si spezza. Oppure si sposta l’accoppiamento tra la crosta e l’interno fluido. Di solito l’interno gira più velocemente della crosta. A volte la crosta si riprende. Oppure scivola. La tempistica cambia.
Usiamo questi difetti per sondare la struttura interna delle stelle che non possiamo vedere. Mappiamo l’invisibile osservando la luce lampeggiare.
“Queste velocità di rotazione sono vicine al limite teorico per una pulsar perché una stella di neutroni che ruotasse solo circa quattro volte più velocemente si disperderebbe.”
È strano pensare che la morte di una stella possa diventare uno strumento per misurare il tempo stesso. O dimostrare che Einstein aveva ragione decenni prima che potessimo rilevare le increspature nello spaziotempo. La Nebulosa del Granchio brilla. Le pulsar millisecondo ticchettano. E noi ascoltiamo e basta.
Ci sono ancora pulsar radio-silenziose là fuori. Non sappiamo dove siano tutti. La Via Lattea è grande. L’universo è più grande. E i fari continuano a girare.
Le pulsar Crab e Vela non sono solo trottole. Sono motori da vampiro energetico, che perdono velocità di rotazione così velocemente che la perdita di energia si manifesta attraverso l’intero spettro elettromagnetico. Questa non è solo teoria. È una realtà osservabile, che lampeggia nei nostri rilevatori ogni millisecondo.
Prendi la Pulsar del Granchio. Nelle fotografie ottiche, sembra una modesta stella di magnitudine 16 situata proprio nel cuore della Nebulosa del Granchio. Ma se guardi più da vicino, la luce non si limita a brillare. Pulsa. Gli astronomi dello Steward Observatory in Arizona hanno rilevato questo esatto comportamento nel 1968, poco dopo la scoperta radio iniziale. La luce visibile lampeggia alla stessa velocità delle onde radio. Inoltre emette impulsi regolari di raggi X e raggi gamma. È un faro a più lunghezze d’onda.
Poi c’è la Vela Pulsar. È molto più debole nella luce visibile e si aggira intorno alla magnitudine 24. Per vederlo è necessaria un’attrezzatura seria. Una ricerca accurata nel 1977 utilizzando il grande telescopio anglo-australiano di Parkes riuscì a individuarlo. La Vela pulsa anche ai raggi X. Ma la sua pretesa di fama sono i raggi gamma. È la fonte più intensa di tale radiazione nell’intero cielo. Impulsi di raggi gamma regolari e prevedibili.
I meccanismi dell’accrescimento e delle anomalie
Non tutte le pulsar a raggi X seguono le stesse regole. Alcuni stanno “accrescendo” pulsar. Vivono in sistemi binari. La stella di neutroni attira materiale dalla sua stella compagna. Quella materia cade lungo le linee del campo magnetico, schiantandosi sulle calotte polari magnetiche. L’impatto rilascia raggi X. È una rotta di collisione cosmica.
Poi hai la classe “anomala”. Questi sono strani. I loro periodi si estendono oltre i cinque secondi. Esplodono in modo imprevedibile con l’attività dei raggi X. Sono spesso collegati ai resti di supernova. Questi oggetti nascono da stelle di neutroni altamente magnetizzate, conosciute come magnetar. Il loro campo magnetico varia tra 10^14 e 10^15 gauss. Questo è inimmaginabilmente forte.
Queste magnetar si sovrappongono anche ad un altro gruppo: i ripetitori di raggi gamma molli. Non si limitano a pulsare. Sono scoppiati. Scoppi ripetuti di raggi gamma che illuminano il cosmo in lampi caotici.
Il mistero solo gamma
Alcune pulsar non emettono affatto onde radio. Brillano solo nei raggi gamma. Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi ha cambiato le regole del gioco qui. Nel 2008, ha trovato la prima pulsar di questo tipo all’interno del resto di supernova CTA 1. Da allora, ne ha aggiunte altre undici all’elenco.
Il meccanismo di emissione qui sfida i modelli standard. Le pulsar radio ricevono il segnale da fasci di particelle sparati dai poli magnetici. Le pulsar basate esclusivamente sui raggi gamma non funzionano in questo modo. L’emissione avviene lontano dalla superficie della stella di neutroni. La fisica dietro questa emissione di gap rimane una scatola nera.
Sappiamo che esistono. Possiamo contarli. Ma il processo fisico preciso che genera questi impulsi di raggi gamma è ancora sconosciuto. Il motore gira, la luce lampeggia, ma stiamo ancora indovinando la meccanica.
