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La supernova 1987 A, scoperta della stella di neutroni

Furono Ian Sheltone e Oscar Duhalde, in servizio all’Osservatorio di Las Campanas sulle Ande cilene, i primi ad accorgersi della presenza di un nuovo astro ai margini della Nebulosa Tarantola. Era la notte tra il 23 e il 24 febbraio 1987 e quella improvvisa stella di quinta magnitudine che appariva sulle lastre fotografiche era la prima supernova “quasi” galattica apparsa in era “telescopica”. Collocata nella Grande Nube di Magellano, una galassia satellite della Via Lattea, SN 1987 A si trova a 165.000 anni luce da noi, quindi la luce vista quella sera e le successive, aveva iniziato il suo viaggio circa 165 mila anni prima.

Si trattò della supernova più brillante degli ultimi quattro secoli, che continuò a risplendere con un’energia pari a 100 milioni di soli per parecchi mesi dopo la sua scoperta fino ad arrivare alla magnitudine 3 il successivo mese di Maggio.

Una «super-nova», questo era il termine originale coniato da Fritz Zwicky (1898-1974) e usato per la prima volta in alcune pubblicazioni da Walter Baade (1893-1960) intorno al 1930, è un’enorme esplosione che rappresenta l’ineluttabile evoluzione di stelle particolarmente grandi e brillanti. La stella esplosa quella sera era una supergigante blu, di nome Sanduleak che si stima avesse una massa di circa 20 volte quella del Sole e che, esplodendo, ha riversato nello spazio circostante una quantità di polveri sufficiente a costruire 200 mila pianeti di massa equivalente a quella della Terra. Nelle stelle di massa simile a quella esplosa quella sera di 165.000 anni fa si creano, infatti, gli elementi pesanti, fino al ferro, che costituiscono il mondo che ci circonda.

supernova 1987 A
La foto mostra supernova 1987 A dopo l’esplosione nel Febbraio 1987, sulla sinistra, mentre quella sulla destra è un’immagine precedente all’esplosione. Credit: Australian Astronomical Observatory.

Vi sono principalmente due tipi di supernovae. La SN 1987 A viene definita di Tipo II, ovvero è stata generata da una stella di massa tale da terminare la sua vita in un modo molto spettacolare, con una violenta esplosione che disperde la maggior parte del materiale stellare nello spazio a velocità elevatissime. Il guscio di detriti che si espande rimane visibile nello spazio tra le stelle per migliaia di anni prima che si disperda nel mezzo interstellare, lasciando visibili residui noti come “resti di supernova”, mentre la parte centrale della stella, dentro la nuvola circostante, è compressa fino a diventare una cosiddetta stella di neutroni.

SN 1987 A è stata la supernova più vicina alla Terra ad essere osservata in centinaia di anni ed è diventata una delle più studiate al fine di comprendere i meccanismi che conducono una stella verso la fine. In particolare, appena operativo (in orbita dal 1990, quindi tre ani dopo l’esplosione), il telescopio spaziale Hubble è stato il primo a vedere in alta risoluzione i resti della  supernova, e ha immortalato strutture di gas e polveri le cui origini non sono ancora del tutto chiare: un anello di gas del diametro di circa un anno luce, probabilmente preesistente all’esplosione risplende intorno ai resti della stella, mentre due cerchi più deboli sono disposti in maniera tale da ricordare la forma di una clessidra. Statistica: la frequenza con la quale le supernove compaiono in una galassia è stimata in 2 o 3 al secolo.

Supernova di tipo II

SN 1987A era una supernova di tipo II nella Grande nuvola di Magellano. L’evento si verificò a circa 51,4 kiloparsecs (168.000 anni luce ) dalla Terra. La luce del 1987A raggiunse la Terra il 23 febbraio 1987 e poichè era la prima supernova scoperta in quell’anno, fu etichettata “1987A”. La sua luminosità ha raggiunse il picco a maggio, con una magnitudine apparente di circa 3.

È stata la prima supernova che gli astronomi moderni sono stati in grado di studiare in dettaglio, e le sue osservazioni hanno fornito molte informazioni sulle supernove a collasso del nucleo .

SN 1987A ha fornito la prima opportunità di confermare mediante osservazione diretta la fonte radioattiva di energia per le emissioni di luce visibile, rilevando la radiazione prevista della linea di raggi gamma da due dei suoi numerosi nuclei radioattivi. Ciò ha dimostrato la natura radioattiva del bagliore post-esplosione di lunga durata delle supernovae.

Per oltre trent’anni, la prevista stella di neutroni collassata non è stata trovata, nel 2019 è stato annunciata utilizzando il telescopio ALMA.

Supernova 1987 A
Le immagini, scattate tra il 1994 e il 2016 dall’Hubble Space Telescope della NASA, mostrano la luminosità dell’anello di gas, di circa un anno luce di diametro, che circonda la stella esplosa. Gli astronomi hanno rilevato il primo punto luminoso nel 1997, ma ora l’intero anello interno si è illuminato. Credits: NASA, ESA, and R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and Gordon and Betty Moore Foundation), and P. Challis (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics).

Curva luminosa

Gran parte della curva della luce , o grafico della luminosità in funzione del tempo, dopo l’esplosione di una supernova di tipo II come SN 1987A è fornita della sua energia dal decadimento radioattivo. Sebbene l’emissione luminosa sia costituita da fotoni ottici, è la potenza radioattiva assorbita che mantiene il residuo abbastanza caldo da irradiare luce. Senza calore radioattivo si oscurerebbe rapidamente. Il decadimento radioattivo di 56 Ni attraversoi suoi prodotti da 56 Co a 56 Fe produce fotoni a raggi gamma che vengono assorbiti e dominano il riscaldamento e quindi la luminosità dei getti da tempi intermedi (diverse settimane) a tempi tardi (diversi mesi).

Curve di luce di supernovae
Curve di luce di varie supernovae a confronto in scala logaritmica; in cima ASAS-SN-15lh. (Credits: il team di ASAS-SN)

L’energia per il picco della curva luminosa di SN1987A è stata fornita dal decadimento da 56 Ni a 56 Co (emivita di 6 giorni) mentre l’energia per la curva luminosa successiva si è adattata in modo molto stretto con il grafico di 56 anni fa – decomposizione a 56 Fe. Misurazioni successive da parte di telescopi a raggi gamma spaziali della piccola frazione dei raggi gamma 56 Co e 57 Co che sfuggirono al residuo SN1987A senza assorbimento confermarono precedenti previsioni che quei due nuclei radioattivi fossero la fonte di energia. 

Poiché il 56 Co in SN1987A è ora completamente decaduto, non supporta più la luminosità del getto SN 1987A. Questo è attualmente alimentato dal decadimento radioattivo di 44 Ti con un’emivita di circa 60 anni. Con questo cambiamento, i raggi X prodotti dalle interazioni dell’anello dell’ejecta hanno iniziato a contribuire in modo significativo alla curva della luce totale. Ciò è stato notato dal telescopio spaziale Hubble come un costante aumento della luminosità 10.000 giorni dopo l’evento nelle bande spettrali blu e rosse.  Linee a raggi X  44 Ti osservate dal telescopio a raggi X nello spazio INTEGRAL hanno mostrato che la massa totale di 44 Ti radioattiva sintetizzata durante l’esplosione era di 3,1 ± 0,8× 10 −4  .

Le osservazioni della potenza radioattiva dai loro decadimenti nella curva della luce del 1987A hanno misurato masse totali accurate dei 56 Ni, 57 Ni e 44 Ti creati nell’esplosione, che sono in accordo con le masse misurate dai telescopi spaziali dei raggi gamma e forniscono vincoli alla nucleosintesi sul modello di supernova calcolato.

Emissioni di neutrini

Circa due o tre ore prima che la luce visibile proveniente da SN 1987A raggiungesse la Terra, fu osservato uno scoppio di neutrini in tre osservatori di neutrini. Ciò era probabilmente dovuto all’emissione di neutrini, che si verifica contemporaneamente al collasso del nucleo, ma prima che fosse emessa luce visibile. La luce visibile viene trasmessa solo dopo che l’onda d’urto ha raggiunto la superficie stellare. Alle 07:35 UT , Kamiokande II ha rilevato 12 antineutrini ; IMB , 8 antineutrinos; e Baksan , 5 antineutrinos; in uno scoppio della durata inferiore a 13 secondi. Circa tre ore prima, lo scintillatore liquido Mont Blanc rilevato un scoppio di cinque neutrini, ma non si ritieneva che questo evento fosse associato a SN 1987A.

Il rilevamento di Kamiokande II, che con 12 neutrini aveva la più grande popolazione campione, mostrò che i neutrini arrivavano in due istanti diversi. Il primo impulso è iniziato alle 07:35:35 e comprendeva 9 neutrini, tutti arrivati ​​in un periodo di 1.915 secondi. Un secondo impulso di tre neutrini è arrivato tra 9.219 e 12.439 secondi dopo il rilevamento del primo neutrino, per una durata dell’impulso di 3.220 secondi.

Sebbene durante l’evento siano stati rilevati solo 25 neutrini, si verificò un aumento significativo rispetto al livello di sfondo precedentemente osservato. Questa era la prima volta che i neutrini noti per essere emessi da una supernova erano stati osservati direttamente, il che segnò l’inizio dell’astronomia dei neutrini. Le osservazioni erano coerenti con i modelli teorici di supernova in cui il 99% dell’energia del collasso viene irradiata sotto forma di neutrini. Le osservazioni sono anche coerenti con le stime dei modelli teorici con un totale di 10 58 neutrini  con un’energia totale di 10 46 joule, ovvero un valore medio di alcune decine di MeV per neutrino.

Le misurazioni dei neutrini hanno stabilito un limite superiore sulla massa e sulla carica dei neutrini, nonché il numero di sapori di neutrini e altre proprietà. Ad esempio, i dati mostrano che entro il 5% di confidenza, la massa di riposo del neutrino elettronico è al massimo di 16 eV / c 2 , 1 / 30.000 la massa di un elettrone. I dati suggeriscono che il numero totale di sapori dei neutrini è al massimo 8, ma altre osservazioni ed esperimenti forniscono stime più rigorose. Molti di questi risultati sono stati successivamente confermati o rafforzati da altri esperimenti sui neutrini, come un’analisi più attenta dei neutrini solari e dei neutrini atmosferici, nonché esperimenti con fonti di neutrini.

Stella di neutroni, la scoperta

SN 1987A sembra essere una supernova di collasso del nucleo, che dovrebbe tradursi in una stella di neutroni data la dimensione della stella originale. I dati del neutrino indicano che un oggetto compatto si è formato al centro della stella. Da quando la supernova è diventata visibile per la prima volta, gli astronomi hanno cercato il nucleo collassato. Il telescopio spaziale Hubble ha ripreso regolarmente le immagini della supernova dall’agosto 1990 senza una chiara rilevazione di una stella di neutroni.

Sono state prese in considerazione diverse possibilità per la stella di neutroni “mancante”. Il primo è che la stella di neutroni è avvolta in fitte nuvole di polvere in modo che non possa essere vista. Un altro è che si è formata una pulsar , ma con un campo magnetico insolitamente grande o piccolo. È anche possibile che grandi quantità di materiale ricadessero sulla stella di neutroni, in modo che collassasse ulteriormente in un buco nero . Le stelle di neutroni e i buchi neri spesso emanano luce quando il materiale cade su di loro. Se nel resto della supernova è presente un oggetto compatto, ma non vi è materiale su cui cadere, sarebbe molto debole e potrebbe quindi evitare il rilevamento. Sono stati considerati anche altri scenari, come se il nucleo collassato diventasse una stella di quark . Nel 2019, è stata presentata la prova che una stella di neutroni si trovava all’interno di uno dei gruppi di polvere più luminosi vicino alla posizione prevista del residuo di supernova.

Pulsar SN 1987 A
Una vista ravvicinata di diversi componenti nel sistema SN 1987A: il gas molecolare del monossido di carbonio è mostrato in arancione, il gas idrogeno caldo è mostrato in viola e la polvere che circonda la stella di neutroni è mostrata in ciano. Credito: Università di Cardiff

Tuttavia, gli scienziati dell’Università di Cardiff affermano di aver trovato delle prove dell’esistenza di questo massiccio oggetto. Utilizzando immagini estremamente nitide e sensibili scattate con il Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), il team ha trovato una particolare zona della nuvola di polvere più luminosa dei suoi dintorni e che corrisponde alla possibile posizione della stella di neutroni.

Per la prima volta possiamo dire che c’è una stella di neutroni all’interno di questa zona creata dal residuo della supernova. La sua luce è stata velata da una nuvola di polvere molto spessa, che blocca la luce diretta dalla stella di neutroni come la nebbia che maschera un riflettore“, afferma l’autore principale dello studio, il Dr. Phil Cigan dell’Università di Cardiff.

La supernova ha anche un nome, 1987A. Il 23 febbraio 1987 illuminò il cielo notturno con la potenza di 100 milioni di soli per molti mesi a venire. Fu l’esplosione più vicina osservata in oltre 400 anni e, sin dalla sua scoperta, ha continuato ad affascinare gli astronomi di tutto il globo.

Le nostre nuove scoperte consentiranno ora agli addetti ai lavori di comprendere meglio la fine della vita di queste enormi stelle“, dichiara infine il dott. Mikako Matsuura, altro membro di spicco dello studio. “Forse quando la nuvola di polvere inizierà a schiarirsi, gli astronomi saranno in grado di vedere direttamente la stella di neutroni per la prima volta.

Vista esplodere nel cielo australe la notte fra il 23 e il 24 febbraio del 1987 a 163mila anni luce da noi, la supernova SN 1987A da allora non è mai più stata persa di vista. Nel corso degli ultimi 30 anni ha offerto agli astronomi un’opportunità unica: seguire in dettaglio, giorno per giorno, le fasi evolutive che seguono la morte di una stella di grande massa, dall’esplosione fino alla formazione del cosiddetto resto di supernova. Osservazioni non facili: la formazione della polvere fredda nel cuore di ciò che resta dell’esplosione rimane invisibile alla maggior parte dei telescopi.

Non però alla vista a microonde delle antenne di ALMA, l’Atacama Large Millimetre and Submillimetre array. In grado di attraversare lo strato di polvere che lo oscura, ALMA è riuscito a ricostruire un’immagine 3D senza precedenti del cuore di ciò che resta del nucleo, e a rilevare la presenza di numerose molecole, misurandone l’abbondanza. Di alcune di esse, come il monossido di carbonio e il monossido di silicio, già si sapeva che erano presenti in abbondanza. Altre, invece, hanno rappresnetato una vera sorpresa: il monossido di zolfo e gli ioni di HCO, in particolare, non erano mai stati rilevati prima nei resti di una giovane supernova.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Phil Cigan et al. Immagini ALMA ad alta risoluzione angolare di polvere e molecole in SN 1987A Ejecta, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ab4b46
  2. Kunkel, W .; et al. (24 febbraio 1987). “Supernova 1987A nella grande nuvola di Magellano” . Circolare IAU . 4316 : 1. Bibcode : 1987IAUC.4316 …. 1K
  3. SN1987A nella grande nuvola di Magellano” . Progetto Hubble Heritage . Archiviato dall’originale il 14 luglio 2009 
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