Come si formano i sistemi a stella binaria? Gli astronomi alla fine risolvono il mistero

Una spettacolare esplosione di supernove, più di un miliardo di volte più luminosa del nostro sole, ha segnato la nascita di una stella di neutroni in orbita attorno al suo compagno caldo e denso. Ora questi due residui densi sono destinati a incastrarsi l'un l'altro in circa un miliardo di anni, alla fine unendosi e producendo alcuni degli elementi più pesanti conosciuti nell'universo.

L'esplosione è avvenuta in una galassia simile alla nostra Via Lattea, a circa 920 milioni di anni luce di distanza. Un piccolo telescopio all'osservatorio di Palomar, in California, ha rilevato i primi fotoni della supernova - "iPTF 14gqr" - poche ore dopo l'esplosione, quando era più di 10 volte più caldo della superficie del nostro sole. Quando la luminosità della supernova si è evoluta durante le due settimane successive, un team internazionale di astronomi ha utilizzato i dati per tracciare l'origine dell'esplosione su una stella massiccia con un raggio 500 volte superiore a quella del sole.

Ma non era solo la taglia gigante della stella a rendere questa scoperta particolarmente degna di nota. Ciò che era insolito era che la stella sembrava anche essere la più leggera di tutte le stelle giganti esplosive conosciute. Questa enorme stella era stata derubata di quasi tutta la sua massa, forse da un partner in orbita densa. Quando esplose, lasciò dietro di sé una neonata stella di neutroni che continuò a orbitare attorno al suo compagno.

Comprendere la formazione di sistemi stellari binari in cui due stelle superduri si orbitano a vicenda è sempre stato un enigma. Queste supernee fuggevoli che producono questi sistemi stellari binari densi sono entrambe rare e difficili da trovare, perché appaiono rapidamente e scompaiono nel cielo - circa cinque volte più velocemente di una tipica supernova.

Questa prima osservazione di una supernova "ultra-stripped", che i miei colleghi e io descrivono in dettaglio in un nuovo studio, non solo fornisce informazioni sulla formazione di questi sistemi, ma rivela anche gli stadi finali nella vita di queste uniche enormi stelle che sono state saccheggiato di tutta la loro massa prima che muoiano.

Risolvere un mistero di lunga data

Le stelle nate con più di otto volte la massa del sole esauriscono rapidamente il carburante e soccombono alla gravità alla fine della loro vita - collassano su se stesse ed esplodono in una supernova. Quando ciò accade, tutti gli strati esterni della stella - alcune volte la massa del sole - sono dispersi.

Quando ho iniziato a lavorare con il mio consulente, Mansi Kasliwal, come nuovo studente laureato, ho deciso di studiare le supernove che svaniscono rapidamente in luminosità. Estratto il database degli eventi scoperti da iPTF, mi sono imbattuto in iPTF 14gqr, una supernova in rapida estinzione che è stata scoperta più di un anno prima ma la cui vera natura fisica è rimasta misteriosa.

I dati erano sconcertanti perché i nostri modelli preliminari suggerivano che questa supernova fosse causata dalla morte di una gigantesca stella gigante, eppure l'esplosione in sé era piuttosto debole. Espulse solo un quinto della massa del sole, mentre la sua energia era solo un decimo di una tipica supernova. Dov'era tutta la materia e l'energia mancanti?

Gli indizi indicavano che la stella esplosiva doveva essere stata spogliata di quasi tutta la sua massa originale prima dell'esplosione. Ma cosa potrebbe aver rubato tanta materia a questa stella gigante? Forse un compagno binario invisibile?

Ho iniziato a leggere su scenari di stelle binarie rare, quando mi sono imbattuto per la prima volta nell'idea di "supernovae ultra-spogliata".

Supernova super strippata

Quando una stella massiccia ha una stella compagna densa e vicina, l'intensa attrazione gravitazionale del compagno può derubare il suo ignaro vicino di quasi tutta la sua massa prima che esploda - da qui il termine "ultra-spogliato".

La supernova ultra-spogliata lascia dietro di sé una stella di neutroni, un corpo stellare denso che gira rapidamente e contiene un po 'più della massa del sole stipato in una regione delle dimensioni del centro di Los Angeles. Questa stella di neutroni è intrappolata in un'orbita stretta attorno al suo compagno. Il compagno è probabilmente un'altra stella di neutroni, o anche una nana bianca o un buco nero che è stato formato da una stella massiccia che morì diversi milioni di anni prima del suo compagno.

Tali sistemi binari sono stati un campo importante di indagine astrofisica per diversi decenni. Abbiamo osservato direttamente molti di questi sistemi nella nostra galassia con telescopi ottici e radiofonici. Il primo rilevamento indiretto di onde gravitazionali proveniva da osservazioni di un doppio sistema stellare a neutroni. Più di recente, la prima fusione di un doppio sistema a stella di neutroni è stata rilevata sia dal LIGO avanzato che dalle onde elettromagnetiche nel 2017, offrendo agli astronomi approfondimenti unici sul funzionamento della gravità e sull'origine degli elementi pesanti nell'universo.

Tuttavia, è rimasto a lungo un mistero come si formano le stelle binarie. Sappiamo che le stelle di neutroni si formano nelle esplosioni di supernova. Ma per ottenere stelle di neutroni binarie, è necessario un binario di due stelle massicce per iniziare. Tuttavia, richiede un preciso equilibrio di forze per assicurarsi che le stelle di neutroni binarie rimangano abbastanza stabili da sopravvivere alle due esplosioni violente che creano il sistema.

Diverse linee di prove indirette suggeriscono che si formano in una rarissima classe di esplosioni di supernova ultra strippate deboli. Ma queste deboli esplosioni erano finora sfuggite al rilevamento diretto. Questa prima prova osservativa per una supernova ultra stripped apre un'opportunità per comprendere la formazione di sistemi binari stellari a stella stretti.

Scansione dei cieli per esplosioni infantili

La nostra supernova è stata individuata durante il sondaggio intermedio Palomar Transient Factory (iPTF). Il sondaggio iPTF automatizzato utilizzava una grande telecamera montata su un telescopio di 1 metro per scattare foto del cielo ogni notte e cercare "nuove stelle". Una priorità di ricerca era la ricerca di supernovae infantile e l'individuazione dell'origine.

Ogni volta che viene trovata una nuova stella, il robot di rilevamento avverte immediatamente gli astronomi in servizio che si trovano in un fuso orario completamente diverso da seguire. Questa strategia, insieme a una rete globale di telescopi, ci ha permesso di catturare diverse stelle esplosive in azione e capire come apparivano poco prima che esplodessero. In effetti, trovare una supernova rara ultra-spogliata dopo l'esplosione è stata una coincidenza fortunata!

Questo singolo evento ci ha fornito la prima visione della massa e dell'energia rilasciate in tali esplosioni, il ciclo di vita di stelle massicce e la formazione di stelle binarie. Tuttavia, c'è ancora molto da imparare da un campione più ampio di questi eventi.

Con Zwicky Transient Facilty - il successore di iPTF in grado di scansionare i cieli 10 volte più velocemente - e una rete globale di telescopi chiamata GROWTH, speriamo di assistere a esplosioni ultra-spogliate, iniziando un nuovo episodio nella nostra comprensione di questi sistemi stellari unici.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Kishalay De. Leggi l'articolo originale qui.