Il telescopio spaziale James Webb ha osservato per la prima volta le prove tangibili dell’esistenza di una stella di neutroni.
Il telescopio spaziale James Webb della NASA ha osservato le prove migliori finora dell’emissione di una stella di neutroni nel sito di una supernova osservata di recente. La supernova, nota come SN 1987A, era una supernova a collasso del nucleo, il che significa che i resti compattati all’interno del suo nucleo possono formare una stella di neutroni o un buco nero. La prova di un oggetto così compatto è stata cercata a lungo e, sebbene in precedenza siano state trovate prove indirette della presenza di una stella di neutroni, questa è la prima volta che vengono rilevati gli effetti dell’emissione ad alta energia della probabile giovane stella di neutroni. Le supernove – i devastanti momenti finali di alcune stelle massicce – esplodono in poche ore e la loro luminosità raggiunge il picco in pochi mesi. I resti della stella in esplosione continueranno ad evolversi rapidamente nei decenni successivi, offrendo agli astronomi la rara opportunità di studiare un processo astronomico chiave in tempo reale.
La Supernova 1987A
La supernova SN 1987A si è verificata a 160.000 anni luce dalla Terra nella Grande Nube di Magellano. Fu osservata per la prima volta nel febbraio del 1987 e la sua luminosità raggiunse il picco nel maggio dello stesso anno. Fu la prima supernova visibile ad occhio nudo da quando fu osservata la Supernova di Keplero nel 1604.
Circa due ore prima della prima osservazione in luce visibile di SN 1987A, tre osservatori in tutto il mondo rilevarono un’esplosione di neutrini durata di pochi secondi. I due diversi tipi di osservazioni erano collegati allo stesso evento di supernova e hanno fornito prove importanti per formare la teoria su come avviene il collasso del nucleo delle supernovae. Questa teoria includeva l’aspettativa che questo tipo di supernova formasse una stella di neutroni o un buco nero. Da allora gli astronomi hanno cercato prove dell’uno o dell’altro di questi oggetti compatti al centro del materiale residuo in espansione.
Negli ultimi anni sono state trovate prove indirette della presenza di stelle di neutroni al centro dei resti e osservazioni supernova molto più antichi – come la Nebulosa del Granchio – confermano che le stelle di neutroni si trovano all’interno di molte di esse. Tuttavia, fino ad ora non era stata osservata alcuna prova diretta dell’esistenza di una stella di neutroni in seguito alla SN 1987A (o a qualsiasi altra recente esplosione di supernova).
Dai modelli teorici di SN 1987A, l’esplosione di neutrini di 10 secondi osservata appena prima della supernova implicava che nell’esplosione si fosse formata una stella di neutroni o un buco nero. Ma non abbiamo osservato alcuna impronta convincente di un oggetto così appena nato da alcuna esplosione di supernova. Grazie al James Webb ora abbiamo trovato prove dirette dell’emissione innescata dal neonato oggetto compatto, molto probabilmente una stella di neutroni.
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Una stella di neutroni
Il James Webb ha iniziato le osservazioni scientifiche nel luglio 2022 e le osservazioni alla base di questo lavoro sono state effettuate il 16 luglio, rendendo i resti della SN 1987A uno dei primi oggetti osservati da Webb. Il team ha utilizzato la modalità spettrografo a media risoluzione (MRS) del MIRI (strumento per il medio infrarosso) di Webb, che i membri dello stesso team hanno contribuito a sviluppare. L’MRS è un tipo di strumento noto come Integral Field Unit (IFU).
Le IFU sono in grado di acquisire l’immagine di un oggetto e di acquisirne uno spettro allo stesso tempo. Un’IFU forma uno spettro in corrispondenza di ciascun pixel, consentendo agli osservatori di vedere le differenze spettroscopiche attraverso l’oggetto. L’analisi dello spostamento doppler di ciascuno spettro consente anche la valutazione della velocità in ciascuna posizione.
L’analisi spettrale dei risultati ha mostrato un forte segnale dovuto all’argon ionizzato proveniente dal centro del materiale espulso che circonda il sito originale di SN 1987A. Osservazioni successive utilizzando l’IFU NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) del James Webb a lunghezze d’onda più corte hanno trovato elementi chimici ancora più fortemente ionizzati, in particolare argon cinque volte ionizzato (ovvero atomi di argon che hanno perso cinque dei loro 18 elettroni). Tali ioni richiedono la formazione di fotoni altamente energetici, e quei fotoni devono provenire da qualche parte.
Per creare questi ioni osservati nei materiali espulsi, era chiaro che doveva esserci una fonte di radiazione ad alta energia al centro del resto della SN 1987A. Secondo i calcoli svolti con i dati raccolti ci sono diverse possibilità, ma solo pochi scenari sono probabili e tutti coinvolgono una stella di neutroni appena nata.
Quest’anno sono previste ulteriori osservazioni, con il James Webb e altri telescopi terrestri. Il gruppo di ricerca spera che lo studio in corso possa fornire maggiore chiarezza su esattamente ciò che sta accadendo nel cuore del resto della SN 1987A. Si spera che queste osservazioni stimoleranno lo sviluppo di modelli più dettagliati, consentendo in definitiva agli astronomi di comprendere meglio non solo SN 1987A, ma tutte le supernovae con collasso del nucleo.
