Gli astronomi osservano per la prima volta la nascita di un magnetar in tempo reale

Un’esplosione stellare che ha costretto a riscrivere i libri di testo

In una galassia lontana è avvenuta un’esplosione stellare così straordinaria da sconvolgere le certezze degli astronomi. Per duecento giorni consecutivi, telescopi distribuiti su cinque continenti hanno monitorato il comportamento di una supernova iperluminosa che, nel suo centro, stava generando uno degli oggetti più estremi dell’intero universo.

Tutto ha avuto inizio il 14 settembre 2024, quando il programma di sorveglianza del cielo Zwicky Transient Facility ha individuato una nuova supernova in una galassia distante circa un miliardo di anni luce dalla Terra. L’oggetto è stato catalogato come SN 2024afav e, almeno in apparenza, sembrava la classica fine di una stella massiccia.

Ben presto, però, è diventato chiaro che non aveva nulla di ordinario. La luminosità dell’esplosione ha infranto ogni record, risultando stimata fino a cento miliardi di volte più brillante del Sole. Ancora più sconcertante: quella luminosità si rifiutava di affievolirsi secondo i modelli teorici previsti. SN 2024afav rappresenta un esempio di cosiddetta supernova superluminosa, la categoria di esplosioni stellari più potenti mai osservate, la cui energia richiede una fonte aggiuntiva e nascosta.

È stato proprio il persistere anomalo di questa intensa luminosità ad attirare l’attenzione del team guidato da Joseph Farah dell’Università della California a Berkeley. Nel giro di pochi giorni, i ricercatori hanno attivato una campagna di osservazione d’emergenza: più di venti telescopi su cinque continenti hanno cominciato a puntare quasi ininterrottamente su questa singola supernova. Una coordinazione così capillare tra osservatori è straordinariamente rara in astronomia, e testimonia quanto eccezionale fosse il fenomeno in corso.

Perché le pulsazioni regolari nella luce della supernova hanno destato tanto interesse

La svolta è arrivata tra il quarantacinquesimo e il novantacinquesimo giorno dall’esplosione. Invece delle fluttuazioni caotiche di luminosità tipiche delle supernove, la curva di luce di SN 2024afav ha cominciato a organizzarsi in uno schema sorprendentemente ordinato. Gli astronomi hanno registrato quattro pulsazioni distinte, ciascuna della durata iniziale di circa dodici giorni.

Con il passare del tempo, l’intervallo tra una pulsazione e l’altra si è ridotto a dieci giorni, mentre l’ampiezza — ovvero l’intensità delle variazioni di luminosità — è aumentata progressivamente. Non si trattava di rumore strumentale né di un capriccio degli apparecchi: lo stesso schema compariva nei dati provenienti da numerosi osservatori indipendenti. Quattro lampeggi regolari che accelerano nel tempo rappresentano la firma inconfondibile di un magnetar appena nato, nascosto nel cuore dell’esplosione.

Secondo l’interpretazione del team di Farah, pubblicata sulla rivista Nature, ognuno di questi lampeggi corrisponde a una completa oscillazione del disco di materia in orbita attorno alla stella di neutroni appena formata. Il disco non è perfettamente uniforme — ricorda una trottola ruotata in modo leggermente irregolare. Ogni volta che la sua parte più densa si orienta nell’angolazione giusta rispetto a noi, l’intero fenomeno appare più luminoso.

Quali condizioni portano alla nascita di un magnetar nel cuore di un’esplosione

Comprendere queste pulsazioni significa addentrarsi direttamente nel nucleo della supernova. Quando una stella massiccia — circa venti o venticinque volte più pesante del Sole — giunge alla fine della propria vita, il suo interno collassa violentemente sotto l’effetto della gravità. Se la velocità di rotazione è sufficientemente elevata, nel nucleo prende vita una stella di neutroni dotata di un campo magnetico straordinariamente potente: un magnetar.

Si tratta di un oggetto di densità incredibile. Una massa paragonabile a quella di centinaia di migliaia di Terre viene compressa in una sfera dal diametro di appena sedici chilometri. Il campo magnetico di una simile stella supera quello terrestre di addirittura mille miliardi di volte. Non sorprende che gli astronomi lo descrivano come uno degli stati della materia più estremi osservabili in natura.

Attorno al magnetar persiste un denso disco di materia espulsa durante l’esplosione, ricco di ferro, nichel e altri elementi pesanti. Sono le oscillazioni di questo disco — non della stella stessa — a manifestarsi come variazioni regolari di luminosità in SN 2024afav. La spettroscopia condotta con il telescopio W. M. Keck ha rivelato una composizione chimica degli elementi perfettamente coerente con il collasso di una stella da venti a venticinque masse solari.

Le caratteristiche principali di un magnetar si possono riassumere così:

• Massa equivalente a centinaia di migliaia di Terre concentrata in una sfera di sedici chilometri di diametro
• Campo magnetico mille miliardi di volte più intenso di quello terrestre
• Rotazione di diverse centinaia di giri al secondo
• Energia irradiata per molti mesi dopo la sua formazione
• Circondato da un denso disco di elementi pesanti come ferro e nichel
• Temperatura superficiale superiore al milione di gradi Celsius

Come la teoria di Einstein spiega l’accelerazione delle pulsazioni

Perché le pulsazioni accelerano? È qui che entra in scena la teoria della relatività generale di Albert Einstein. In un campo gravitazionale così estremo come quello di una stella di neutroni, la curvatura dello spaziotempo diventa così intensa da stravolgere completamente il moto della materia circostante.

Il modello elaborato dal team mostra che il disco attorno al magnetar sperimenta un effetto noto come trascinamento del sistema inerziale. Lo si può immaginare come un trapano in rotazione che trascina con sé l’aria circostante. Nel caso del magnetar, ad essere messo in moto è lo stesso sfondo gravitazionale. La teoria prevede che in un tale campo gravitazionale la direzione delle oscillazioni del disco ruoti lentamente e la frequenza delle pulsazioni visibili aumenti di circa il quindici percento nel corso delle osservazioni.

I dati di SN 2024afav corrispondono a questo calcolo con una precisione sorprendente. L’accelerazione delle pulsazioni registrata coincide con quanto ricavato dalle equazioni di Einstein per un oggetto avente la massa e le dimensioni di una tipica stella di neutroni. Questo esclude praticamente qualsiasi spiegazione alternativa basata su fluttuazioni casuali o errori di misura. Per i fisici si tratta di un materiale di prova preziosissimo: ogni oggetto del genere è un laboratorio naturale per studiare la gravità e la materia in condizioni estreme.

Perché alcune supernove brillano molto più a lungo delle altre

Dagli anni Venti del ventunesimo secolo, gli astronomi si confrontano con il puzzle delle supernove superluminose. Queste esplosioni brillano in modo nettamente più intenso e duraturo rispetto alle supernove classiche. Il problema che tormentava i fisici era semplice: da dove proviene l’energia aggiuntiva che alimenta il loro bagliore per mesi interi?

Tre scenari erano in circolazione: il decadimento di rari isotopi radioattivi prodotti durante l’esplosione, la collisione dell’onda d’urto con un involucro di gas eccezionalmente denso attorno alla stella, oppure l’alimentazione dell’esplosione tramite l’energia di rotazione del magnetar centrale. SN 2024afav fornisce per la prima volta un argomento osservativo solido a favore di questa terza spiegazione.

Il magnetar appena formato ruota alcune centinaia di volte al secondo. Con un campo magnetico dell’ordine di cento mila miliardi di gauss si trasforma in una gigantesca dinamo. Parte dell’energia rotazionale viene gradualmente convertita in radiazione elettromagnetica e flussi di particelle, che riscaldano i resti stellari circostanti e li mantengono luminosi. Grazie a questo meccanismo, la supernova conserva un’elevata luminosità per mesi, anziché per le poche settimane caratteristiche dei casi standard.

I ricercatori che hanno analizzato SN 2024afav hanno passato in rassegna gli archivi astronomici, trovando almeno due supernove precedenti che mostrano schemi di variazione di luminosità simili, sebbene meno evidenti. Fino a poco tempo fa venivano descritti come anomalie inspiegabili. Ora diventano candidati a ulteriori casi di nascita di magnetar.

Cosa rivelerà la nuova generazione di telescopi sui magnetar

La nuova generazione di telescopi ha le potenzialità per trasformare eventi simili in qualcosa di quasi routinario. L’Osservatorio Vera C. Rubin, che avvierà presto la piena operatività, eseguirà una scansione dell’intero cielo australe ogni poche notti, registrando migliaia di fenomeni transitori. Tra questi dovrebbero comparire decine di supernove superluminose all’anno.

Una serie di eventi analoghi permetterà di costruire una sorta di catalogo delle nascite di magnetar e di indagare in quali condizioni si verificano con maggiore frequenza. Il magnetar rimane invisibile, eppure tradisce la propria presenza. Il disco che lo circonda è talmente denso e opaco che la luce proveniente direttamente dalla superficie della stella non riesce ad attraversarlo. Gli astronomi ne percepiscono soltanto l’influenza sull’ambiente circostante.

È un po’ come rilevare gli esopianeti con il metodo del transito. Non vediamo il pianeta direttamente, ma registriamo i regolari cali di luminosità della stella quando il pianeta passa davanti al suo disco. In questo caso, il ruolo del pianeta è svolto dal disco oscillante, e il bersaglio sono i resti incandescenti della supernova. Chimica, dinamica del moto e relatività generale si compongono così in un quadro coerente e affascinante.

Quale importanza hanno le osservazioni dei magnetar per la comprensione dell’universo

Sebbene la supernova SN 2024afav sia esplosa a un miliardo di anni luce dalla Terra, i dati che ha prodotto aiutano a comprendere processi attivi nell’intero cosmo. I magnetar e le altre stelle di neutroni svolgono un ruolo fondamentale nella produzione degli elementi pesanti di cui sono composte le rocce dei pianeti e, in ultima analisi, i nostri stessi corpi.

Seguire passo dopo passo la nascita di un magnetar consente di stimare con maggiore precisione quante volte tali oggetti si formano, quanta energia immettono nell’ambiente circostante e in che misura influenzano l’evoluzione delle galassie. Dal punto di vista tecnico, si tratta anche di un ulteriore test estremamente impegnativo della teoria della relatività generale: non questa volta durante la collisione di buchi neri o nella misurazione delle onde gravitazionali, ma nel cuore pulsante di una stella in esplosione.

Per chi legge potrebbe sembrare una storia lontana e astratta. In realtà, ogni osservazione di questo tipo aggiunge un tassello fondamentale alla risposta di domande profondamente umane: da dove provengono gli elementi nelle nostre ossa, perché le galassie appaiono così come le vediamo, e quali processi hanno plasmato l’ambiente in cui la vita ha potuto emergere.