Pulsar

Nane rosse, nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri: in questo elenco di oggetti celesti, ciascuno è più piccolo, denso e al limite estremo della sua condizione fisica di quello precedente.
L'aumento della densità è il risultato dell'azione esercitata dalla forza di gravità a tutti familiare, tuttavia nelle stelle l'azione di questa forza fondamentale va oltre il limite conosciuto con le normali esperienze scientifiche. Una frazione della materia di una stella nana bianca grande quanto una scatola di fiammiferi, avrebbe la stessa massa di una nave da guerra, mentre la stessa massa, composta da materia di una stella di neutroni occuperebbe lo spazio di un ditale. In un buco nero, la materia ha una densità tale che i concetti di dimensione e densità perdono di significato.

Una stella nana bianca è un oggetto celeste con le dimensioni della Terra ma con massa simile a quella del Sole. L'ulteriore compressione della materia è ostacolata dalla "pressione di degenerazione degli elettroni", particelle libere che, in virtù di due principi della meccanica quantistica, il Principio di indeterminazione (formulato da W. Heisenberg) ed il Principio di esclusione (formulato da W.Pauli) non possono subire un ulteriore avvicinamento.

In alcune stelle, generalmente più massive delle nane bianche,questo limite è superato dalla combinazione di questi elettroni con i protoni che porta alla formazione di neutroni, che possono essere uniti più strettamente formando una stella di neutroni.
Una stella di questo tipo ha, a grandi linee, la stessa massa del Sole ma un diametro di 30 km circa. Una dimensione così piccola, limita la dispersione termica a causa dell'esiguità della superficie; queste stelle pertanto emettono quantità ridotte di radiazione termica e sono pertanto invisibili a grande distanza. Sono però osservabili per un tipo di radiazione completamente differente: un segnale radio che si ripete, come una pulsazione, ad intervalli regolari.
Le pulsar !

Cosa sono le pulsar ?

La regolarità degli impulsi è incredibile: gli osservatori possono prevedere l'arrivo di un impulso con anni di anticipo e con un'accuratezza dell'ordine di un millesimo di secondo. Ma come può una stella funzionare come un orologio così preciso ?
L'unica risposta possibile ad una ripetizione così precisa e rapida è questa: la stella ruota rapidamente su se stessa ed emette un fascio di radiazioni che "illumina" il cielo come la luce di un faro, puntando nella direzione dell'osservatore una volta ogni giro. L'unico oggetto che puè sopportare una velocità così elevata senza distruggersi per effetto della forza centrifuga è una stella di neutroni.

Le pulsar sono stelle di neutroni con un'intensissimo campo magnetico che raggiunge i 100 milioni di tesla (il campo magnetico terrestre misura circa 30 milionesimi di tesla; quello di una macchia solare circa 10 T). La rapida rotazione la trasforma in un generatore elettrico capace di caricare le particelle a centinaia di miliardi di volt. Queste particelle sono, non è ancora del tutto chiaro in che modo, responsabili del fascio di radiazioni nel radio, nel visibile, nella radiazione X e gamma.

Queste particelle cariche vengono accellerate a spese dell'energia cinetica della rotazione, la stella pertanto rallenterà, sia pure in tempi astronomici e questo fenomeno è rilevabile con l'allungamento del periodo tra un impulso e l'altro.
Generalmente il rallentamento avviene nella misura di 1/1.000.000esimo all'anno. La Nebulosa del Granchio, la pulsar più giovane ed energetica conosciuta, rallenta di 1/2000esimo ogni anno.

Quante pulsar ci sono nella nostra galassia ?

Estrapolando la stima del loro numero nella nostra galassia da questo piccolo campione di pulsar conosciute, il valore sale a 200.000 oggetti di questo tipo. Considerando che non tutti i fasci di radiazioni intersecano la posizione della Terra, la popolazione totale ammonta ad 1.000.000 di pulsar.

Ognuno di questi oggetti irradia energia per circa quattro milioni di anni, dopo di che ha perso talmente energia di rotazione che non riesce più a produrre impulsi radio rilevabili. Dal numero stimato di pulsar (1.000.000) e dalla durata della loro vita (4.000.000 di anni), possiamo dedurre deve formarsi una nuova pulsar ogni quattro anni (ammesso che il loro numero resti costante).
Non è ben chiaro tuttavia quanto siano conciliabili il tasso di formazione delle pulsar ed quello delle supernovae.

La nebulosa del Granchio

La Pulsar del Granchio emette due impulsi ogni giro: la forma di questo doppio impulso è simile a tutte le radiofrequenze da 30 Mhz in sù e nello spettro ottico, nei raggi X e gamma copre le lunghezze d'onda di 49 ottave (dove il rapporto fra due frequenze successive è di 2:1).

L'emissione nel visibile è sufficientemente elevata da poterla far identificare nelle fotografie della Nebulosa, dove appare come una stella di 16esima magnitudine. Le normali tecniche fotografiche tendono a coprire l'impulso, ma la tecnica stroboscopica può mostrare la stella nelle due condizioni di "accesa" e "spenta".

Le pulsar binarie e la Relatività Generale

Un sistema binario, noto come PSR1913+16, è formato da due stelle di neutroni talmente vicine che il periodo orbitale è di sole 775 ore. Non c'à un flusso di gas tra le due stelle, l'interazione avviene solo con la mutua attrazione gravitazionale, inoltre, l'orbita di una delle due è stata descritta con grande dettaglio, essendo una pulsar.

Ha un periodo di 59 millesimi di secondo e produce una serie di impulsi molto stabili con un tasso di rallentamento molto particolare, è come un orologio in rapido movimento all'interno di un potentissimo campo gravitazionale: la classica situazione richiesta per verificare la Teoria della Relatività Generale di Eistein.
In accordo con le teorie di Newton, l'orbita delle due stelle deve essere un'ellisse con un'orientamento fisso ed il periodo orbitale costante. Misure sui tempi di arrivo degli impulsi hanno mostrato significative differenze rispetto ai calcoli delle orbite eseguiti con le queste teorie non relativistiche.

La più evidente è quella relativa all'orbita che precede di 42 gradi all'anno. È stato rilevato anche un piccolo ma importante effetto sul periodo orbitale che si riduce di 89 miliardesimi di secondo ogni orbita.

La riduzione del periodo orbitale rappresenta una perdita di energia che può essere spiegata con le onde gravitazionali. Sebbene non siano mai state rilevate direttamente, l'osservazione di PSR1913+16 ha fornito un passo importante verso la prova della loro esistenza. Questa scoperta, un'ulteriore conferma della Teoria Generale della Relatività, fu annunciata alla comunità scientifica nel 1979, nel centenario della nascita di Albert Einstein.

Rielaborazione ed adattamento dall'I.S.D. Royal Greenwich Obs. by M.F. con il permesso dell'autore.