Sub-Millisecond Pulsars: Missing or Impossible?

Per quasi mezzo secolo, gli astronomi sono rimasti affascinati da una specifica classe di oggetti cosmici: le stelle di neutroni. Queste sono i nuclei collassati di stelle massicce che sono esplose, lasciando dietro di sé una sfera di materia così densa che un singolo cucchiaino peserebbe un miliardo di tonnellate. Poiché nascono ruotando rapidamente e spesso ottengono una "seconda spinta" rubando materiale da una stella compagna, molti di questi resti stellari ruotano centinaia di volte al secondo. I più veloci, noti come pulsar millisecondo, agiscono come fari cosmici, setacciando fasci di onde radio nel cielo con una regolarità che rivaleggia con gli orologi atomici. Dalla scoperta del primo oggetto di questo tipo nel 198za, gli scienziati ne hanno trovati centinaia, con periodi di rotazione che vanno dai dieci millisecondi fino a circa 1,4 millisecondi. Ciò ha portato a un mistero persistente e intrigante: perché nessuno ha mai trovato una stella di neutroni che ruota più velocemente di così? Esiste una legge fisica che impedisce loro di ruotare più rapidamente, o si stanno semplicemente nascondendo dai nostri telescopi?

Un nuovo studio condotto da un team di astrofisici indaga questo anello mancante nella nostra comprensione dell'universo. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di determinare se l'assenza di pulsar "sub-millisecondo" — quelle che ruotano in meno di un millesimo di secondo — sia dovuta a un limite fondamentale della natura o semplicemente a un fallimento dei nostri metodi di ricerca. Hanno combinato osservazioni dettagliate di pulsar note con complesse simulazioni al computer di come queste stelle evolvono in sistemi binari. Il loro lavoro suggerisce che la risposta non sia una singola barriera, ma una combinazione di inefficienze cosmiche. Lo studio sostiene che, sebbene le leggi della fisica non vietino strettamente che una stella di neutroni ruoti così velocemente, il processo necessario per accelerarne la rotazione è così inefficiente e breve che tali oggetti sono probabilmente incredibilmente rari. Se esistono, probabilmente rallentano verso velocità inferiori quasi immediatamente dopo la formazione, rendendoli quasi impossibili da catturare come longevi segnali radio.

L'indagine è iniziata esaminando i motivi più ovvi per cui una stella di neutroni potrebbe smettere di ruotare così velocemente. Una possibilità era che la stella stessa si sarebbe disintegrata se ruotasse troppo rapidamente, un limite noto come punto di rottura centrifuga. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che, per la maggior parte dei modelli realistici di materia delle stelle di neutroni, questo limite è in realtà molto più alto del record attuale, permettendo rotazioni ben al di sotto di un millisecondo. Un'altra teoria principale suggeriva che l'emissione di onde gravitazionali — increspature nel tessuto dello spaziotempo — potesse agire come un freno, drenando l'energia di rotazione della stella prima che possa raggiungere velocità sub-millisecondo. Sebbene questo meccanismo sia plausibile, il team ha scoperto che le attuali osservazioni non forniscono prove forti che le onde gravitazionali siano la ragione principale per cui non abbiamo ancora visto questi rapidi rotatori.

Invece, il team si è concentrato sulla storia della vita di una stella di neutroni. Per raggiungere velocità così estreme, una stella di neutroni deve essere "riciclata". Ciò accade quando fa parte di un sistema binario e sottrae gas da una stella compagna. Mentre questo gas cade sulla stella di neutroni, trasferisce quantità di moto, facendo ruotare la stella più velocemente, proprio come un pattinatore sul ghiaccio che ritrae le braccia. I ricercatori hanno utilizzato modelli informatici per tracciare questo processo, calcolando quanta massa una stella di neutroni debba accrescere per raggiungere una rotazione di un millisecondo. Hanno scoperto che la stella deve inghiottire una quantità significativa di materiale — circa un quarto della massa del nostro Sole. Questo requisito crea un collo di bottiglia. Le stelle compagne capaci di fornire questa quantità di massa sono tipicamente molto massicce esse stesse, ed evolvono e trasferiscono il loro materiale molto rapidamente.

Questa velocità è il problema. Le stelle compagne massicce consumano il loro combustibile e trasferiscono la loro massa in un'ondata che dura solo pochi milioni di anni. Questo tempo è troppo breve affinché la stella di neutroni assorba in modo efficiente abbastanza materiale per raggiungere una rotazione sub-millisecondo. Inoltre, lo studio ha evidenziato che il processo di accrezione non è perfettamente efficiente. Gran parte del materiale trasferito dalla compagna viene spesso spazzato via o perso prima di poter raggiungere la stella di neutroni. I ricercatori hanno calcolato che nei sistemi in cui vediamo le pulsar più veloci conosciute, solo il 20-30 percento del materiale trasferito finisce effettivamente sulla stella di neutroni. Per raggiungere il regime sub-millisecondo, il sistema dovrebbe essere incredibilmente efficiente nel catturare la massa e avere una stella donatrice che duri abbastanza a lungo da fornirla. Queste due condizioni sembrano essere mutuamente esclusive in natura.

Il team ha anche considerato se questi ultra-rapidi astri potrebbero semplicemente nascondersi ai nostri radiotelescopi. Hanno eseguito simulazioni per vedere se il modo in cui i segnali radio viaggiano nello spazio — dispersi da gas e polvere — potesse rendere i impulsi sub-millisecondo troppo deboli o sfocati per essere rilevati. Sebbene abbiano confermato che questi effetti rendono più difficile trovare pulsar molto veloci, le simulazioni hanno mostrato che se esistesse una pulsar sub-millisecondo brillante nelle vicinanze, i nostri attuali strumenti l'avrebbero quasi certamente trovata. La mancanza di rilevamento non è dovuta a un difetto nei nostri metodi di ricerca, ma piuttosto al fatto che tali oggetti probabilmente non sono presenti in numeri significativi.

Lo studio conclude che l'assenza di pulsar sub-millisecondo è una conseguenza naturale di come queste stelle nascono ed evolvono. La combinazione di fasi di trasferimento di massa a breve durata e accrezione inefficiente significa che l'universo semplicemente non produce molti, se non alcun, di questi oggetti estremi. Se una stella di neutroni riesce a ruotare così velocemente, lo fa probabilmente solo per un breve momento prima che le forze magnetiche o altri momenti torcenti la rallentino verso le velocità più comuni che osserviamo oggi. I ricercatori hanno inoltre notato che, mentre le stelle di neutroni sembrano avere un limite a questa velocità, i buchi neri — un altro tipo di stella collassata — non hanno la stessa struttura rigida e possono teoricamente ruotare con un periodo dell'orizzonte inferiore a un millisecondo. Questa distinzione evidenzia che il limite è specifico della natura della materia delle stelle di neutroni.

In definitiva, questo lavoro sposta l'attenzione dal cercare un oggetto mancante al comprendere i vincoli dell'evoluzione stellare. Il fatto che non abbiamo trovato una pulsar sub-millisecondo non è un fallimento dell'osservazione, ma un indizio sulla fisica della materia densa e sulle interazioni tra stelle binarie. Ci dice che l'universo ha un limite di velocità naturale per queste stelle riciclate, stabilito non da un muro fisico invalicabile, ma dalle limitazioni pratiche di quanto a lungo e con quanta efficienza una stella possa nutrire la sua compagna. Se le pulsar sub-millisecondo esistono, sono probabilmente oggetti fugaci e transitori che accelerano la rotazione e rallentano così velocemente da rimanere invisibili ai nostri attuali sondaggi, lasciando il detentore del record di 1,4 millisecondi come il vero campione della rotazione cosmica.