La teoria prevedeva che l’esplosione stellare avrebbe prodotto o una stella di neutroni o un buco nero. La ricerca di prove di tale oggetto compatto è stata a lungo infruttuosa, fino a quando nuove osservazioni effettuate dal telescopio spaziale James Webb della NASA hanno fornito la prima evidenza diretta di quella che è probabilmente una stella di neutroni, rivelata dagli effetti della sua emissione ad alta energia.
Il cuore giovane della Supernova 1987A ospita una stella di neutroni
Il telescopio spaziale James Webb della NASA ha scoperto le migliori prove finora di emissione da una stella di neutroni nel sito di una supernova di recente osservazione. La supernova, nota come SN 1987A, era una supernova a collasso del nucleo, il che significa che i resti compattati al suo interno hanno formato o una stella di neutroni o un buco nero. Sebbene in passato 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 dalla probabile giovane stella di neutroni.
Le supernove, le esplosioni finali e violente di alcune stelle massicce, si manifestano in poche ore e la luminosità dell’esplosione raggiunge il picco in pochi mesi. I resti della stella esplosa continueranno a evolversi a un ritmo rapido nei decenni successivi, offrendo agli astronomi un’opportunità rara 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 sulla Terra nel febbraio del 1987 e la sua luminosità raggiunse il picco nel maggio dello stesso anno. Fu la prima supernova visibile ad occhio nudo dall’osservazione della Supernova di Kepler nel 1604.
Circa due ore prima della prima osservazione in luce visibile della SN 1987A, tre osservatori in tutto il mondo rilevarono un lampo di neutrini della durata di pochi secondi. I due diversi tipi di osservazioni furono collegati allo stesso evento di supernova e fornirono prove importanti per informare la teoria su come avvengono le supernove a collasso del nucleo. Questa teoria includeva l’aspettativa che questo tipo di supernova avrebbe formato una stella di neutroni o un buco nero. Gli astronomi hanno cercato prove di uno o dell’altro di questi oggetti compatti al centro del materiale in espansione da allora.
Le prove indirette della presenza di una stella di neutroni al centro del residuo sono state trovate negli ultimi anni e le osservazioni di residui di supernove molto più antichi, come la Nebulosa del Granchio, confermano che le stelle di neutroni si trovano in molti residui di supernove. Tuttavia, fino ad ora non erano state osservate prove dirette di una stella di neutroni nelle conseguenze della SN 1987A (o di qualsiasi altra esplosione di supernova recente).
Claes Fransson dell’Università di Stoccolma, autore principale dello studio, ha spiegato: “Dai modelli teorici della SN 1987A, il lampo di neutrini di 10 secondi osservato poco prima della supernova implicava che una stella di neutroni o un buco nero fosse stato formato nell’esplosione. Ma non abbiamo osservato alcuna firma convincente di un tale oggetto neonato da nessuna esplosione di supernova. Con questo osservatorio, abbiamo ora trovato prove dirette di emissione innescata dall’oggetto compatto neonato, molto probabilmente una stella di neutroni”.
Le osservazioni di Webb sulla SN 1987A
Webb ha iniziato le osservazioni scientifiche nel luglio 2022 e le osservazioni di Webb alla base di questo lavoro sono state effettuate il 16 luglio, rendendo il residuo della SN 1987A uno dei primi oggetti osservati da Webb. Il team ha utilizzato la modalità Spettrografo a Media Risoluzione (MRS) dello strumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) di Webb, che alcuni membri dello stesso team hanno contribuito a sviluppare. L’MRS è un tipo di strumento noto come Unità di Campo Integrale (IFU).
Gli IFU sono in grado di immaginare un oggetto e di prendere uno spettro di esso allo stesso tempo. Un IFU forma uno spettro in ogni pixel, consentendo agli osservatori di vedere differenze spettroscopiche attraverso l’oggetto. L’analisi dello spostamento Doppler di ogni spettro consente anche di valutare la velocità in ogni posizione.
L’analisi spettrale dei risultati ha mostrato un forte segnale dovuto all’argon ionizzato dal centro del materiale espulso che circonda il sito originale della SN 1987A. Osservazioni successive utilizzando l’IFU NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) di Webb a lunghezze d’onda più corte hanno trovato elementi chimici ancora più pesantemente ionizzati, in particolare argon cinque volte ionizzato (cioè atomi di argon che hanno perso cinque dei loro 18 elettroni). Tali ioni richiedono fotoni altamente energetici per formarsi e questi fotoni devono provenire da qualche parte.
“Per creare questi ioni che abbiamo osservato nell’espulsione, era chiaro che doveva esserci una fonte di radiazione ad alta energia al centro del residuo della SN 1987A”, ha detto Fransson. “Nel documento discutiamo diverse possibilità, trovando che solo pochi scenari sono probabili, e tutti questi coinvolgono una stella di neutroni appena nata”.
Sono previste ulteriori osservazioni quest’anno, con Webb e telescopi terrestri. Il team di ricerca spera che lo studio in corso fornirà maggiore chiarezza su ciò che sta accadendo nel cuore del residuo della SN 1987A. Si spera che queste osservazioni stimoleranno lo sviluppo di modelli più dettagliati, consentendo infine agli astronomi di comprendere meglio non solo la SN 1987A, ma tutte le supernove a collasso del nucleo.
Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science.
Per ulteriori informazioni su questa scoperta, si veda JWST Scopre una Stella di Neutroni nei Resti di una Supernova Storica.
Riferimento: “Emission lines due to ionizing radiation from a compact object in the remnant of Supernova 1987A” di C. Fransson, M. J. Barlow, P. J. Kavanagh, J. Larsson, O. C. Jones, B. Sargent, M. Meixner, P. Bouchet, T. Temim, G. S. Wright, J. A. D. L. Blommaert, N. Habel, A. S. Hirschauer, J. Hjorth, L. Lenkić, T. Tikkanen, R. Wesson, A. Coulais, O. D. Fox, R. Gastaud, A. Glasse, J. Jaspers, O. Krause, R. M. Lau, O. Nayak, A. Rest, L. Colina, E. F. van Dishoeck, M. Güdel, Th. Henning, P.-O. Lagage, G. Östlin, T. P. Ray e B. Vandenbussche, 22 febbraio 2024, Science. DOI: 10.1126/science.adj5796