Utilizzando il radiotelescopio MeerKAT in Sudafrica, un team di internazionale di ricercatori ha scoperto un oggetto particolarmente massiccio all’interno del denso ammasso globulare NGC 1851, la cui natura è a oggi ancora un mistero. È più pesante delle stelle di neutroni più pesanti conosciute, e allo stesso tempo è più leggero dei buchi neri più leggeri trovati finora.

Il team, guidato da ricercatori dell’Istituto Max Planck per la Radioastronomia di Bonn e a cui partecipano anche l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e l’Università di Bologna, ha individuato questo strano oggetto in orbita attorno a una pulsar millisecondo. Si tratta di una stella di neutroni che emette rapidissimi lampi di radiazione nella lunghezza d’onda radio, in rapida rotazione.

Se l’oggetto dalla natura misteriosa fosse un buco nero, questa sarebbe la prima scoperta di un sistema binario radio pulsar-buco nero, una coppia che consentirebbe nuovi test della teoria della relatività generale di Einstein.

Una pulsar come orologio cosmico

Le pulsar sono resti stellari compatti, estesi al massimo una ventina di chilometri di diametro, ed estremamente densi. Derivano da potenti esplosioni di supernova, e i modelli suggeriscono che esiste una massa massima oltre la quale una stella non può più essere una stella di neutroni, ma sarà un altro tipo di oggetto compatto. Il valore di questa massa è circa pari a 2.2 volte la massa del Sole.

Le evidenze osservative però mostrano che i buchi neri, che si formano dal collasso di una stella molto più massiccia di quelle che producono stelle di neutroni, hanno una massa minima di circa 5 volte la massa del Sole. Allora che oggetto si forma nell’intervallo di masse tra 2.2 e 5 volte quella del Sole? A oggi, una risposta a questa domanda non c’è. Questo intervallo è noto come mass gap dei buchi neri, ed è una sorta di “terra di nessuno”.

Ora, nell’ambito delle due collaborazioni internazionali “Transients and Pulsars with MeerKAT” (TRAPUM) e “MeerTime”, gli scienziati sono stati in grado di rilevare e studiare i deboli impulsi provenienti da una delle stelle in NGC 1851, denominata NGC 1851E e identificata come una radio pulsar. Ruota su se stessa più di 170 volte al secondo, e ogni rotazione produce un impulso ritmico, come il ticchettio di un orologio.

Questo ritmo, incredibilmente regolare, permette di effettuare misurazioni estremamente precise del moto orbitale dell’oggetto. Ed è grazie a questa estrema regolarità che è stato possibile dimostrare che attorno a NGC 1851E orbitava una stella. E che non si trattava di una normale stella, ma di un residuo estremamente denso di una stella collassata.

Un oggetto compatto di natura misteriosa

A questo punto è arrivato il problema. Perché da una stima derivante dai cambiamenti dell’orbita, gli scienziati hanno scoperto che la compagna binaria della radio pulsar ha una massa contemporaneamente più grande di quella di qualsiasi stella di neutroni conosciuta, ma più piccola di quella di qualsiasi buco nero mai osservato. Ovvero, si posiziona esattamente all’interno del gap di massa dei buchi neri.

Cristina Pallanca, ricercatrice al Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi” dell’Università di Bologna, spiega: “Se si rivelerà essere un buco nero, avremo individuato il primo sistema binario composto da una pulsar e un buco nero, una sorta di Santo Graal dell’astronomia. Grazie a esso avremo un’opportunità senza precedenti per testare con altissima precisione la teoria della relatività generale di Albert Einstein e, di conseguenza, per comprendere meglio le proprietà fisiche dei buchi neri”.

Se invece si trattasse di una stella di neutroni, la sua massa elevata imporrà nuovi vincoli alla natura delle forze nucleari. Vincoli che non si possono ottenere con nessun esperimento di laboratorio, ma solo grazie a osservazioni e scoperte di questo tipo.

Una coppia nata in un ambiente straordinario

L’ammasso globulare NGC 1851 è un denso insieme di centinaia di migliaia di vecchie stelle tenute assieme dalla loro stessa gravità, molto più concentrate rispetto alle stelle del resto della Galassia. Si è formato circa 13 miliardi di anni fa, quando l’universo aveva appena 800 mila anni e la nostra Galassia stava attraversando le prime fasi di formazione.

All’interno di ammassi affollati come questo, le stelle interagiscono continuamente durante il corso della loro vita: si scambiano energia, collidono, si uniscono in nuovi sistemi binari. Si ritiene che sia stata proprio una collisione tra due stelle di neutroni a creare l’oggetto massiccio che ora orbita attorno alla radio pulsar. Tuttavia, prima che venisse creata l’attuale binaria, la pulsar deve aver acquisito materiale da un’altra stella. Una sorta di processo di “riciclaggio”, che sarebbe necessario per ottenere una pulsar con la velocità di rotazione che noi misuriamo attualmente.

La scoperta di questo oggetto misterioso, anche se non dà delle vere risposte, apre la strada per ottenerle. Inoltre, mette in luce le potenzialità degli strumenti utilizzati in questa survey e delle antenne che arriveranno nel futuro. Lo stesso, sensibilissimo MeerKAT, che finora ha permesso di scoprire 87 nuove pulsar, farà parte dello Square Kilometre Array. SKA sarà il radiotelescopio più grande del mondo, con il quale speriamo oggetti come questo non saranno più un mistero.

L’articolo, pubblicato su Science, è reperibile qui inversione pre-print.