
Le stelle di neutroni sono oggetti celesti incredibilmente densi, racchiudendo in poche decine di chilometri di diametro una massa equivalente a quella di due Soli. Una delle principali sfide per scienziati che studiano questi oggetti compatti è comprendere il comportamento della materia in condizioni così estreme, impossibili da riprodurre sulla Terra, e riuscire a decifrarne l’equazione di stato, una sorta di “manuale di istruzioni” che ne definisce le proprietà fondamentali.

Rappresentazione artistica di una stella di neutroni. Crediti: Eso/L. Calçada
Un passo avanti in questa direzione è stato compiuto di recente grazie a una nuova ricerca condotta da un team di astrofisici guidato dall’Università di Palermo: partendo da una riga di assorbimento transitoria, individuata nello spettro X di una di queste stelle ultra-dense, gli scienziati sono infatti riusciti a stimare la compattezza della sorgente, un parametro chiave per porre vincoli stringenti sulla legge matematica che descrive lo stato della materia al loro interno. Al centro dello studio, accettato per la pubblicazione nella rivista The Astrophysical Journal, c’è 4U 1820–30, una sorgente distante 25mila anni luce dalla Terra, situata all’interno dell’ammasso globulare Ngc 6624, nella costellazione del Sagittario.
Il primo autore del lavoro – che vede coinvolti, tra gli altri, Luciano Burderi e Francesco Barra dell’Inaf Iasf di Palermo – è Rosario Iaria, astrofisico in servizio al Dipartimento di fisica e chimica “Emilio Segrè” dell’Università di Palermo, associato all’Inaf.
Formatosi all’Università di Palermo, dove ha conseguito la laurea e il dottorato in fisica, Iaria si occupa di astrofisica delle alte energie e, in particolare, dello studio dei sistemi binari a raggi X di bassa massa. Dal 2015 è professore associato nell’ateneo palermitano, dove insegna astrofisica delle alte energie e fisica dell’universo. Lo abbiamo intervistato.
Iaria, il protagonista dello studio si chiama 4U 1820–30. Di che oggetto celeste stiamo parlando?
«4U 1820–30 è un sistema binario a raggi X davvero estremo: i due oggetti completano un’orbita in appena 11,4 minuti, un tempo incredibilmente breve su scala astronomica. In questa coppia, uno dei due è una stella di neutroni, cioè il residuo ultra-compatto di una supernova, con una massa paragonabile a quella del Sole concentrata in una sfera di circa 10–12 km di raggio. L’altra stella le trasferisce materia; questo gas non cade direttamente sulla stella di neutroni, ma forma un disco di accrescimento che, avvicinandosi al centro, si scalda, producendo una luminosità intensa nei raggi X. È proprio osservando questa radiazione che possiamo studiare sia la fisica del plasma caldissimo nelle regioni interne del disco, sia gli effetti della gravità estrema vicino alla superficie della stella di neutroni».
Come anticipato, il punto di partenza della vostra indagine è una riga di assorbimento che avete individuato negli spettri X della stella di neutroni, ottenuti con il telescopio Nicer a bordo della Stazione spaziale internazionale. Perché questa caratteristica spettrale ha attirato la vostra attenzione?
«Perché era come un piccolo “morso” nello spettro: una sottrazione netta di luce X in un punto ben preciso. La riga compare attorno a 3,8 keV, dove il keV è un’unità di energia tipica dei fotoni nei raggi X. Per dare un’idea intuitiva dell’ordine di grandezza, 3,8 keV corrispondono a una temperatura equivalente di circa 40 milioni di gradi: non significa che “la riga ha quella temperatura”, ma aiuta a capire quanto stiamo lavorando in un regime fisico estremo. La cosa decisiva, però, è che quella riga non è sempre presente: compare per un intervallo limitato e poi scompare. Questo suggerisce che sia la traccia di un fenomeno fisico che entra in gioco solo in certe condizioni, legate a una fase particolare dell’evoluzione del sistema. Ed è qui che il contesto diventa particolarmente interessante: la comparsa della riga avviene subito dopo un superburst».

L’astrofisico Rosario Iaria, professore all’Università di Palermo e associato Inaf
Che cosa sono, questi superburst?
«I superburst sono parenti dei più comuni burst di tipo I, ma sono molto più rari e più energetici. Un burst di tipo I è un lampo termonucleare dovuto all’accensione esplosiva di idrogeno ed elio sulla superficie della stella di neutroni e dura tipicamente secondi o minuti; un superburst, invece, dura ore ed è interpretato come una combustione molto più profonda e potente (spesso associata al carbonio). È un evento che può perturbare in modo drastico l’ambiente vicino alla stella, cambiando rapidamente lo stato del gas e del plasma che osserviamo nei raggi X: proprio in quella finestra lo spettro può rivelare firme – come questa riga – che in condizioni normali resterebbero invisibili».
Individuata la riga, avete cercato di identificare chi l’avesse prodotta. Qual è stato il percorso seguito e a quale conclusione siete giunti?
«Quando in uno spettro compare una riga di assorbimento, è come trovare un’impronta: qualcuno, lungo il percorso della luce, ha assorbito fotoni a un’energia ben precisa. La prima domanda che ci si pone quindi è: “chi è il responsabile?”. Ovvero, quale elemento chimico l’ha lasciata e in quale stato fisico si trovava? Per rispondere non basta guardare il valore dell’energia e scegliere “la riga più vicina in un catalogo”: bisogna verificare se c’è uno scenario compatibile con l’ambiente reale attorno a una stella di neutroni.
Il percorso che abbiamo seguito è stato questo: prima abbiamo misurato con precisione dove cadesse la riga, quanto fosse profonda e larga, poi abbiamo chiesto ai modelli fisici: che tipo di gas può produrre un simile assorbimento? Vicino a una sorgente X intensa, infatti, il gas non si trova in uno stato “normale”: è un plasma fotoionizzato, cioè un gas bombardato dai raggi X in cui molti atomi perdono elettroni. Questo è cruciale perché, perdendo elettroni, gli atomi cambiano stato (diventano ioni diversi) e quindi cambiano anche le “impronte digitali” che possono lasciare nello spettro. In questo regime il ferro è un tracciante particolarmente efficace: quando è molto ionizzato lascia firme intense proprio nella banda dei raggi X. A quel punto abbiamo testato gli scenari in cui l’assorbimento è prodotto da questo tipo di plasma, verificando che la soluzione fosse auto-consistente: non solo che la riga fosse alla giusta energia, ma che i parametri richiesti fossero plausibili e che la riga avesse la profondità e la forma osservate. La conclusione più coerente è che la riga sia associata a ferro altamente ionizzato, cioè un atomo di ferro a cui sono stati strappati quasi tutti gli elettroni, e che l’assorbimento avvenga in una regione molto vicina alla stella di neutroni».
Il passo successivo è stato stimare il redshift gravitazionale di questa riga. Che cosa ci dice questa misura?
«Il redshift gravitazionale è una delle firme più eleganti della relatività generale. Il principio alla base di questo effetto relativistico è che la luce che “esce” da un campo gravitazionale molto intenso perde energia: è come se dovesse pagare un pedaggio per risalire dal pozzo gravitazionale della stella di neutroni. Per questo motivo, una riga che nasce – o che viene impressa – vicino alla stella, e che “in condizioni normali” avrebbe energie più alte, ci appare spostata verso energie più basse, come nel caso della riga osservata, centrata intorno a 3,8 keV. È un parametro prezioso perché ci dà accesso diretto a un’informazione fondamentale: la profondità del potenziale gravitazionale nella regione dove si forma quella riga. E quel potenziale dipende dalla combinazione tra massa e raggio della stella di neutroni. In altre parole, una riga “gravitazionalmente redshiftata” non è solo una curiosità spettrale: è un mezzo che ci permette di calcolare quanto la stella sia compatta».
L’ultimo atto del lavoro ha riguardato proprio la determinazione della compattezza della stella di neutroni. Quale informazione fisica racchiude questa grandezza? E in che modo permette di porre vincoli stringenti sull’equazione di stato della materia nucleare ultradensa presente all’interno delle stelle di neutroni?
«La compattezza ci dice quanta massa è concentrata in un dato spazio. Nel nostro caso il risultato si può esprimere in modo diretto come rapporto raggio/massa. Il valore che abbiamo ottenuto è 4,46 ± 0,13 chilometri per ogni massa solare. Per dare un riferimento intuitivo: una stella di neutroni ha tipicamente una massa dell’ordine di una o due masse solari, ma concentrata in un oggetto grande appena una ventina di chilometri; la nostra misura aggiunge un’informazione cruciale perché lega direttamente la “densità di gravità” al rapporto massa/raggio, cioè alla profondità del potenziale gravitazionale nella regione dove si forma la riga. Detto in altri termini: questo numero ci dice quanto ci stiamo spingendo in un regime in cui la relatività generale non è un dettaglio, ma domina ciò che osserviamo. Ed è qui che entra in gioco l’equazione di stato della materia ultradensa. Modelli diversi della materia nel nucleo di una stella di neutroni prevedono relazioni diverse tra massa e raggio: alcuni danno stelle più “gonfie” (materia più rigida), altri stelle più “compatte” (materia più comprimibile). Un vincolo sulla compattezza, quindi sul rapporto massa/raggio, non ci dice da solo “di cosa è fatto” il nucleo, ma restringe fortemente il campo, escludendo le equazioni di stato che non riescono a produrre oggetti con una compattezza compatibile con la nostra misura pur restando coerenti con i vincoli fisici generali. In più, nel nostro caso il risultato punta verso una compattezza particolarmente elevata, cioè verso la parte “estrema” dello spazio massa–raggio: è proprio per questo che l’impatto sulle equazioni di stato è potenzialmente forte. Il vincolo si colloca vicino a regioni dove entrano in gioco anche limiti fisici fondamentali (stabilità e causalità), e di conseguenza solo una frazione dei modelli di equazione di stato rimane compatibile».
Dallo studio del profilo della riga avete ricavato informazioni anche sulla regione della stella di neutroni responsabile dell’emissione di radiazioni X. Inoltre, data la coincidenza temporale tra la comparsa della riga e il superburst, avete ipotizzato che cosa possa essere accaduto al sistema negli istanti immediatamente successivi. Quale scenario è emerso?
«In questa parte del lavoro, la riga diventa davvero un indizio “geometrico”, non solo spettrale: ci dice dove e quando qualcosa cambia vicino alla stella di neutroni. Il fatto che la riga compaia subito dopo il superburst e poi sparisca suggerisce che l’esplosione abbia aperto una finestra temporanea su regioni che, in condizioni normali, sono molto più difficili da osservare. Il punto è che un superburst non è un semplice aumento di luminosità: è un rilascio di energia così intenso da poter sconvolgere gli strati più esterni e l’ambiente immediatamente circostante la stella di neutroni. In modo intuitivo, è come se l’esplosione “riorganizzasse” la struttura del materiale vicino alla stella: può espandere e rarefare gli strati superficiali e/o modificare la distribuzione del gas nelle regioni interne del sistema, riducendo temporaneamente quella sorta di “schermo” che spesso separa l’osservatore dalle zone più profonde.
Lo scenario che ipotizziamo è che, subito dopo l’evento, siano diventate visibili – o si siano formate lungo la nostra linea di vista – le condizioni tali per cui un sottile strato di plasma estremamente ionizzato, ricco di ioni pesanti come il ferro, abbia potuto imprimere una riga di assorbimento. Se questa impronta si forma molto vicino alla stella di neutroni, porta con sé anche il segno della gravità estrema: la riga appare quindi spostata verso energie più basse. Poi, mentre il sistema si rilassa e l’ambiente torna verso un assetto più “ordinario”, quella finestra si richiude: cambiano densità e ionizzazione del gas, e la riga scompare. È come se il superburst avesse momentaneamente “spostato il sipario”, permettendoci di vedere una firma che arriva da molto vicino alla stella».
Quali nuove prospettive apre questo studio nel campo della fisica delle stelle di neutroni?
«Questo studio suggerisce una prospettiva davvero potente: che, in certi momenti speciali, possiamo usare lo spettro X come se fosse una sonda diretta della gravità vicino a una stella di neutroni. Normalmente le regioni più interne – quelle dove la relatività generale è più estrema – sono difficili da “marcare” con un segnale pulito. Ma un superburst cambia le regole del gioco: per poche ore il sistema viene investito da un’energia enorme e può rendere visibile una firma spettrale transitoria, come questa riga, che porta impressa l’informazione su quanto è profondo il potenziale gravitazionale a pochi chilometri dalla superficie. Se vogliamo dirla con un’immagine: un superburst è come un flash naturale che illumina e riorganizza l’ambiente vicino alla stella, e la riga di assorbimento diventa una specie di “tacca di riferimento”: un segnale che, se interpretato correttamente, ci permette di trasformare uno spettro in un vincolo quantitativo su massa, raggio e quindi sulla fisica della materia ultradensa. È un modo diverso di fare “astrofisica fondamentale”: invece di inferire tutto indirettamente da luminosità o modelli globali, si misura un effetto relativistico direttamente su una firma atomica.
La prospettiva, quindi, è duplice e molto ricca. Da un lato, ripetendo osservazioni simili, potremmo costruire un nuovo canale osservativo per porre vincoli sull’equazione di stato: non un singolo risultato isolato, ma una famiglia di misure che, evento dopo evento, restringe il campo dei modelli possibili. Dall’altro lato, questi segnali transitori ci permettono di capire meglio cosa succede immediatamente dopo un superburst: come reagiscono la superficie della stella, il disco di accrescimento e il plasma circostante. In un certo senso, è la possibilità di osservare – in tempo reale – come un laboratorio estremo passi da uno stato “in equilibrio” a uno stato perturbato e poi torni a rilassarsi, lasciandoci nel frattempo una firma misurabile della gravità e della materia in condizioni impossibili da riprodurre sulla Terra. È raro che un singolo dettaglio nello spettro ci permetta di arrivare così vicino al confine tra astrofisica e fisica fondamentale: in questo caso, quella riga è diventata una finestra aperta – per poche ore – sulla gravità e sulla materia ai limiti del possibile».
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