Gli astronomi hanno individuato la coppia di stelle di neutroni meno massiccia mai osservata: due resti stellari ultradensi che completano un’orbita in circa 2 ore e 22 minuti e che, secondo le stime, si fonderanno tra circa 82 milioni di anni. Seguendo gli impulsi radio emessi da una delle due stelle, i ricercatori hanno misurato tre effetti previsti dalla relatività generale. I dati sono compatibili con la teoria di Einstein con uno scarto di circa l’1%. I risultati sono stati pubblicati il 15 settembre sulla rivista Physical Review Letters.
Le stelle di neutroni sono i nuclei collassati di stelle massicce esplose come supernove. Possono racchiudere una massa superiore a quella del Sole in una sfera di circa 20 chilometri di diametro. Alcune, chiamate pulsar, ruotano rapidamente ed emettono fasci di onde radio che attraversano lo spazio come quelli di un faro. La regolarità dei loro impulsi le rende orologi cosmici molto precisi.
Sono noti soltanto 30 sistemi in cui due stelle di neutroni orbitano l’una attorno all’altra. «Se le orbite sono strette, gli effetti relativistici sono molto intensi», ha dichiarato via e-mail a Live Science JinLin Han, coautore dello studio e astronomo degli Osservatori astronomici nazionali dell’Accademia cinese delle scienze.
La prima coppia di questo tipo, scoperta nel 1974 e chiamata sistema binario di Hulse-Taylor, fornì la prima prova dell’esistenza delle onde gravitazionali: increspature dello spaziotempo previste da Einstein. Quando una coppia in orbita emette queste onde, perde energia e la sua orbita si restringe. Nel sistema di Hulse-Taylor, il restringimento è risultato conforme alle previsioni della relatività generale. In seguito, anche la pulsar doppia, che completa un’orbita ogni 2,45 ore, ha confermato il ritmo previsto, con uno scarto di circa lo 0,01%. Alla fine, il progressivo avvicinamento porta sistemi di questo tipo a fondersi, generando onde gravitazionali come quelle rilevate nel 2017 dagli interferometri LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e Virgo.
Il nuovo sistema, denominato PSR J1856-0039, si trova a una distanza stimata tra 4.200 e 6.500 anni luce dalla Terra. È stato individuato nel 2020 durante un’indagine sul disco della Via Lattea condotta con il radiotelescopio cinese FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope), il più grande radiotelescopio a parabola singola del mondo.
«Abbiamo scoperto circa 900 pulsar», ha raccontato Han a proposito del lavoro del gruppo. «Dopo alcune osservazioni di controllo, questa si è rivelata davvero straordinaria».
La pulsar ruota circa 43 volte al secondo. Le due stelle sono separate da una distanza pari a circa il doppio di quella tra la Terra e la Luna. La caratteristica più notevole, ha spiegato Han, è il periodo orbitale di circa 2,36 ore: il secondo più breve mai osservato. Per questo, il sistema dovrebbe mostrare effetti relativistici più intensi di quelli della famosa pulsar doppia e del sistema di Hulse-Taylor.
Tra il 2020 e il 2025 il gruppo ha osservato la coppia con FAST in 17 occasioni, alcune abbastanza lunghe da coprire un’intera orbita. I ricercatori hanno registrato gli orari di arrivo degli impulsi e confrontato le misurazioni con modelli dell’orbita che includono gli effetti relativistici, tra cui le piccole variazioni nei tempi degli impulsi nelle diverse fasi del moto.
«Grazie alle numerose misurazioni effettuate con FAST, difficili da eguagliare in termini di precisione con altri telescopi, abbiamo ottenuto non solo i parametri fondamentali della pulsar e della sua orbita, ma anche tre effetti relativistici», ha detto Han.
Il primo è il restringimento dell’orbita, causato dall’energia persa sotto forma di onde gravitazionali: le stelle si avvicinano di circa 2,7 metri all’anno. Il secondo è la lenta rotazione dell’orbita ellittica, che cambia orientamento di 17,6 gradi all’anno: un ritmo circa 150.000 volte più rapido della precessione relativistica dell’orbita di Mercurio. Il terzo riguarda il tempo: la gravità e la velocità modificano il ritmo dell’orologio della pulsar lungo l’orbita ellittica, spostando gli impulsi fino a circa mezzo millisecondo.
«Da queste misurazioni abbiamo determinato la massa della pulsar e quella della compagna», ha spiegato Han. «La massa totale è la più bassa tra tutti i sistemi binari di stelle di neutroni conosciuti».
La pulsar ha una massa pari a circa 1,3 volte quella del Sole; la compagna è circa 1,19 volte più massiccia del Sole ed è una delle stelle di neutroni meno massicce mai osservate. Le simulazioni suggeriscono che le supernove non possano produrre stelle di neutroni molto più leggere.
Secondo le stime, le due stelle si fonderanno tra circa 82 milioni di anni. Il risultato sarà probabilmente una stella di neutroni più massiccia, con una massa pari a circa 2,26 volte quella del Sole, anche se il residuo potrebbe invece collassare in un buco nero.
Due dei tre effetti relativistici bastano per calcolare la massa di entrambe le stelle. Il terzo offre quindi una verifica indipendente: se la relatività generale descrive correttamente il sistema, tutti e tre gli effetti devono portare alle stesse masse. È quanto emerge dalle misurazioni.
«Abbiamo scoperto che per spiegare i dati è necessaria la relatività generale e che la coerenza è pari a circa l’1%», ha detto Han. Il test condotto sulla pulsar doppia è più preciso, ma si basa su 16 anni di osservazioni, contro i circa cinque anni di dati raccolti per la nuova coppia.
«Purtroppo non siamo riusciti a confutare questa descrizione della gravità», ha aggiunto Han, riferendosi alla ricerca di eventuali limiti della teoria di Einstein che possano indicare nuova fisica.
Il gruppo spera ora di misurare il «trascinamento dei sistemi di riferimento»: un effetto per cui una massa in rotazione deforma lo spaziotempo circostante e fa oscillare le orbite vicine. «Continueremo a monitorare questa pulsar, probabilmente per decenni, per rilevare il trascinamento dei sistemi di riferimento causato dalla rotazione della stella di neutroni», ha detto Han.
La misura permetterebbe di ricavare il momento d’inerzia della pulsar, una grandezza che dipende da come la sua massa è distribuita al suo interno. Potrebbe così fornire «un nuovo vincolo» sul comportamento della materia alle densità estreme presenti nei nuclei delle stelle di neutroni, ha spiegato Han: una delle grandi questioni ancora aperte della fisica.
Fonte: livescience.com
