Astronomia gamma
Approfondimento sulle Pulsar
Come emette una stella di neutroni Osservazioni di stelle di neutroni nei raggi gamma Come si forma una PULSAR Dipoli rotanti Pulsazioni nel cielo Stelle di neutroni in sistemi binari con compagna normale Stelle di neutroni in sistemi binari con stelle di neutroni
Come emette una stella di neutroni
Prima dell’osservazione delle pulsar, i teorici avevano già previsto l’esistenza di stelle formate da neutroni. Furono Baade e Zwicky a proporre il concetto di stella di neutroni mentre Franco Pacini dimostrò teoricamente che una stella di neutroni in rapida rotazione e dotata di un campo magnetico produce un campo elettrico in grado di fornire la potenza necessaria a fare splendere un "resto di supernova", come avviene per la nebulosa del Granchio. Ci sono fondate motivazioni per ritenere che le stelle di neutroni si producano dal collasso del nucleo di una stella massiccia durante l’esplosione di supernova, mentre gli strati esterni vengono espulsi nello spazio.
L’idea che oggi abbiamo di una stella di neutroni è quella di un oggetto di massa paragonabile a quella del Sole con raggi di 10 km e densità di 1014 g/cm3. La sorgente dell’energia irradiata da una stella di neutroni è la sua energia rotazionale. Infatti, misure accurate dimostrano che le radio pulsar hanno un periodo crescente nel tempo, ad esempio la PSR B0531+21 (all’interno della nebulosa del Granchio) presenta una perdita di energia rotazionale DE=2·1031 watt mentre le pulsar più lente presentano variazioni minori. Un’altra caratteristica interessante riguarda il flusso del campo magnetico che durante il collasso stellare viene conservato. Passando da un corpo di taglia stellare ad una sfera di una decina di chilometri, si registra uno spaventoso aumento dell’intensità del campo magnetico fino a circa 1012 Gauss o 108 Tesla. L’asse magnetico è generalmente diverso dall’asse di rotazione. Una stella di neutroni con un intenso campo magnetico ed in rapida rotazione può emettere come un faro di radiazione radio formando 2 fasci radio ben collimati nei pressi dei poli magnetici. Il campo magnetico rapidamente rotante di una stella di neutroni produce un intensissimo campo elettrico in grado di accelerare particelle cariche fino ad energie di 1014 eV: in queste condizioni gli elettroni possono interagire e produrre raggi gamma. Tra i possibili metodi di produzione annoveriamo la radiazione di sincrotrone, la diffusione Compton inversa e la radiazone di curvatura.
Quest’ultimo non è un nuovo processo di emissione, poichè si tratta della classica radiazione di sincrotone prodotta da elettroni che si muovono lungo le linee di campo magnetico incurvate. Come la radiazione di sincrotone, viene trattata facendo uso della formula di emissione dell’elettrodinamica classica, assumendo come raggio di curvatura della traiettoria percorsa quello delle linee di campo.
Assumendo che le pulsar nascano velocissime e poi rallentino nel tempo, il valore di P/P2 (dove P è il periodo di rotazione mentre P è la sua variazione) è considerato come una ragionevole stima dell’età della stella di neutroni. Un buon accordo tra l’età calcolata con tale formula e le testimonianze storiche si ottiene per la nebulosa del Granchio, invece la formula perde la sua validità per le pulsar più vecchie di un milione di anni in quanto altri meccanismi possono rallentare il periodo.
L’energia rotazionale persa da una stella di neutroni che rallenta è:
dove
è il momento di inerzia della stella di neutroni mentre
è la velocità angolare mentre
è la sua variazione.
Ci sono due modelli che descrivono l’accelerazione di particelle nelle vicinanze della stella di neutroni, nel primo l’accelerazione delle particelle avviene vicino alla superficie nei pressi dei poli magnetici mentre nel secondo modello l’accelerazione avviene nella magnetosfera esterna. In entrambi i modelli le particelle accelerate producono fotoni di altissima energia che si materializzano nel campo magnetico in coppie elettrone e positrone che poi producono altri fotoni, dando luogo ad una vera e propria cascata elettromagnetica responsabile dell’emissione che si registra dal radio al gamma.
Soltanto sette stelle di neutroni sono state osservate in banda gamma, sei sono state osservate nella banda gamma ad alta energia (E>100MeV) mentre soltanto tre sono state osservate nella banda gamma di bassa energia: la pulsar del Granchio, la pulsar della Vela e B1509-58, quest’ultima è osservabile soltanto in raggi gamma di bassa energia.
