FRB 121102: No supernova-like ejecta or magnetar power, hinting at a binary WD merger

I rapidi burst radio sono tra i segnali più misteriosi dell'universo. Sono lampi di onde radio brevi e intensi che durano solo un millesimo di secondo, eppure rilasciano in quell'istante tanta energia quanta ne rilascia il Sole in un intero giorno. Per anni, gli astronomi hanno cercato di capire cosa crei questi lampi e da dove provengano. Sebbene la maggior parte di questi burst avvenga una sola volta, un piccolo numero di essi si ripete, emettendo lampi ripetutamente dallo stesso punto nel cielo. Uno di questi soggetti ripetitivi, noto come FRB 121102, è stato osservato più attentamente di ogni altro. Si trova all'interno di una galassia minuscola e distante, ed è circondato da una persistente e luminosa nube di emissione radio. Questo bagliore costante, che si sta espandendo da decenni, detiene la chiave per comprendere l'evento violento che ha creato il burst.

Un team di ricercatori ha ora utilizzato la storia di questo segnale per riscrivere la storia della sua origine. Tracciando come le onde radio dei burst cambiassero mentre viaggiavano attraverso la nube circostante, gli scienziati sono stati in grado di misurare la velocità e la massa del materiale che viene spinto verso l'esterno. La loro analisi rivela che la nube si muove troppo lentamente per essere il risultato di una tipica supernova, la violenta morte di una stella massiccia che solitamente scaglia il materiale verso l'esterno a migliaia di chilometri al secondo. Invece, i dati suggeriscono che la nube sia stata espulsa dolcemente, forse dal risultato della fusione di due stelle dense e morte, molto prima che il motore che alimenta i burst si accendesse. Questa scoperta esclude la teoria più popolare per questo oggetto e punta verso un evento cosmico molto più tranquillo e antico.

La storia inizia con la natura del segnale stesso. Quando un rapido burst radio attraversa lo spazio, passa attraverso nubi di particelle cariche chiamate plasma. Queste particelle rallentano leggermente le onde radio, e l'entità di questo rallentamento dipende da quante particelle l'onda deve attraversare. Gli astronomi chiamano questa misurazione la misura di dispersione. Osservando FRB 121102 per diversi anni, i ricercatori hanno notato che questa misurazione non era costante. È aumentata costantemente per un po' e poi ha iniziato a diminuire. Questo aumento e diminuzione non è rumore casuale; è una registrazione diretta dell'onda d'urto creata dal motore centrale che preme attraverso il gas circostante. Mentre l'onda d'urto si muove verso l'esterno, comprime e ionizza il gas freddo, aumentando il numero di particelle che le onde radio devono attraversare. Una volta che l'onda d'urto buca il bordo della nube di gas, la nube inizia a espandersi e a diradarsi, facendo scendere il numero di particelle e rendendo il segnale più nitido.

I ricercatori hanno utilizzato questi cambiamenti per calcolare le proprietà fisiche della nube. Hanno scoperto che il gas si muove a una velocità di soli poche centinaia di chilometri al secondo. Questo è un dettaglio cruciale. Se la nube fosse stata creata da una supernova standard, il gas sarebbe diretto verso l'esterno a velocità di circa cinquemila chilometri al secondo. Il fatto che il gas si muova così lentamente significa che non è stato scagliato fuori da una massiccia esplosione stellare. Inoltre, l'energia totale contenuta nella nube è molto inferiore a quella che una supernova produrrebbe. Gli scienziati hanno anche determinato che la nube è piuttosto massiccia, contenendo tra un terzo e tre volte la massa del nostro Sole, ma è distribuita su una distanza vasta, circa da tre a dieci volte la distanza tra il Sole e la stella più vicina.

Questi vincoli fisici impongono una revisione della storia dell'oggetto. La velocità lenta del gas implica che esso sia stato espulso molto prima che il motore centrale iniziasse a emettere segnali. I ricercatori hanno calcolato che il gas è stato probabilmente espulso più di mille anni prima che i rapidi burst radio iniziassero. Ciò crea una cronologia specifica: prima, un'espulsione lenta di gas; poi, un lungo periodo di quiete; e infine, l'accensione del motore che alimenta i burst. Questa sequenza non si adatta al modello di una stella massiccia che collassa ed esplode, il che espellerebbe gas e creerebbe il motore contemporaneamente. Esclude anche l'idea che l'oggetto centrale sia una stella di neutroni altamente magnetizzata, o magnetar, alimentata dal suo intenso campo magnetico. L'energia necessaria per alimentare il bagliore radio è troppo grande perché un campo magnetico possa fornirla per un periodo così lungo senza dissiparsi.

Invece, i dati puntano verso un'origine diversa che coinvolge le nane bianche. Le nane bianche sono i nuclei densi, delle dimensioni della Terra, lasciati dietro dopo che stelle come il nostro Sole muoiono. Se due nane bianche orbitano l'una attorno all'altra e infine si scontrano, possono fondersi in un unico oggetto instabile. In questo scenario, la fusione espellerebbe dolcemente un guscio di gas a velocità ridotte, creando la nube che vediamo oggi. L'oggetto fuso rimarrebbe poi tranquillo per mille anni, raffreddandosi ed evolvendo, prima di collassare in una stella di neutroni che ruota rapidamente. Questa nuova stella di neutroni ruoterebbe abbastanza velocemente da generare l'energia potente necessaria per creare i rapidi burst radio e il bagliore persistente. Questa cronologia si adatta perfettamente alle osservazioni: il gas lento è stato espulso prima, e il motore è iniziato molto più tardi.

I ricercatori hanno considerato anche altre possibilità, come una stella massiccia che non è riuscita a esplodere correttamente o un sistema binario in cui una stella compagna è spirata dentro una stella gigante. Sebbene questi scenari possano teoricamente produrre gas a bassa velocità, faticano a spiegare la specifica tempistica e la mancanza di idrogeno nel gas. Il modello della fusione delle nane bianche, tuttavia, produce naturalmente un guscio di gas ricco di elementi pesanti ma povero di idrogeno, il che si allinea con gli indizi chimici trovati nei dati. Lo studio non afferma di aver risolto il mistero di tutti i rapidi burst radio, poiché molti di essi possono avere origini diverse. Tuttavia, per questo specifico oggetto, l'evidenza suggerisce fortemente che si tratti delle conseguenze di una fusione lenta e antica piuttosto che di un'esplosione recente e violenta.

Questo lavoro dimostra come una semplice misurazione del ritardo del segnale possa rivelare la storia profonda di un oggetto cosmico. Trattando le onde radio come una sonda, gli scienziati sono stati in grado di mappare la velocità, la massa e l'età del materiale che circonda il burst. Hanno dimostrato che l'universo può produrre fonti di energia estrema attraverso processi lenti e silenziosi che si dispiegano nell'arco di secoli, non solo attraverso la spettacolare violenza delle supernovae. Le scoperte suggeriscono che i burst ripetitivi che vediamo siano probabilmente alimentati da una giovane stella di neutroni in rapida rotazione che è nata dalla fusione di due stelle morte, uno scenario che sfida la visione tradizionale di come questi oggetti energetici si formino. Mentre gli astronomi continuano a monitorare questa sorgente e altre simili, saranno in grado di testare ulteriormente queste idee, cercando le specifiche impronte chimiche e i modelli temporali che solo questo tipo di evento cosmico può produrre.