Dynamical stability of Magnetic Supramassive Neutron Stars

Le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi dell'universo, i nuclei collassati di stelle massicce che sono esplose. Un singolo cucchiaino del loro materiale peserebbe quanto una montagna. Questi residui cosmici ruotano incredibilmente velocemente, a volte centinaia di volte al secondo, e molti sono attraversati da campi magnetici così potenti da poter cancellare una carta di credito da metà del sistema solare. Quando due stelle di neutroni collidono, possono fondersi per formare un unico oggetto, ancora più massiccio. Se questa nuova stella è abbastanza pesante da collassare sotto la propria gravità ma è sostenuta dalla sua rapida rotazione, viene chiamata stella di neutroni supramassiccia. Questi oggetti sono fugaci e instabili; esistono in un equilibrio precario tra la forza schiacciante della gravità e la spinta verso l'esterno della rotazione. Comprendere come si comportano queste stelle, specialmente quando i loro campi magnetici sono ai loro estremi, aiuta gli astronomi a decodificare i segnali violenti che inviano attraverso il cosmo, dalle increspature nello spazio-tempo ai lampi di luce ad alta energia.

Un team di ricercatori ha utilizzato ora potenti supercomputer per simulare cosa accade quando queste stelle supramassicce sono sottoposte a campi magnetici forti quanto cento quadrilioni di Gauss. Per farlo, hanno costruito modelli digitali di queste stelle utilizzando le leggi della fisica che governano lo spazio, il tempo e la materia, e poi hanno osservato come queste evolvessero nel tempo. Sono partiti con stelle che ruotavano vicino al limite di ciò che è possibile prima che si disintegrassero, e vi hanno iniettato campi magnetici che vanno dalla forza di un tipico magnetar agli estremi campi previsti subito dopo una collisione stellare. L'obiettivo era vedere se queste forze magnetiche avrebbero aiutato le stelle a sopravvivere più a lungo o se le avrebbero spinte oltre il limite verso un collasso catastrofico.

Le simulazioni hanno rivelato che i campi magnetici all'interno di queste stelle non sono statici; sono caotici e in costante mutamento. Inizialmente, i campi magnetici erano impostati in un modello semplice e ordinato, ma questa disposizione è instabile. In una frazione di secondo, i campi hanno iniziato a aggrovigliarsi e a torcersi, riorganizzandosi in un complesso mix di loop e spirali. Questo processo avviene così rapidamente che è più veloce del tempo necessario alla stella per completare una singola rotazione. Mentre i campi magnetici si torcevano, agivano come un freno cosmico, afferrando il nucleo a rapida rotazione della stella e rallentandolo, mentre simultaneamente acceleravano gli strati esterni. Ciò ha creato uno stato in cui il centro della stella ruotava molto più lentamente rispetto alla superficie, una condizione nota come rotazione differenziale.

Per le stelle che non erano abbastanza pesanti da collassare immediatamente, questo rimescolamento magnetico ha portato a un nuovo stato stabile. La stella non si è disintegrata, né è collassata in un buco nero. Invece, si è assestata in una configurazione longeva dove il nucleo e la superficie ruotavano a velocità differenti, tenuti in posizione dalle tensioni magnetiche. Tuttavia, per le stelle che erano già sull'orlo del collasso, le forze magnetiche hanno agito come l'innesco finale. Trascinando via il momento angolare dal nucleo, i campi magnetici hanno rimosso il sostegno che impediva al centro della stella di schiacciarsi verso il basso. Ciò ha causato il restringimento del nucleo e il collasso della stella in un buco nero molto più velocemente di quanto sarebbe avvenuto senza l'influenza magnetica.

Quando queste stelle collassavano, i buchi neri risultanti erano sorprendentemente diversi da quanto ci si potrebbe aspettare. Sebbene i buchi neri ruotassero più velocemente delle stelle originali — alcuni ruotavano quasi il cinquanta per cento più velocemente — possedevano in realtà meno energia di rotazione totale. Questo perché il violento collasso e i campi magnetici hanno espulso una quantità significativa di materia dalla stella prima della sua scomparsa. Questo materiale espulso, portando via una parte della rotazione della stella, ha impedito che tale energia venisse assorbita dal nuovo buco nero. Le simulazioni hanno mostato che questo materiale espulso ha formato venti che fluivano principalmente attorno all'equatore della stella, trasportando massa a tassi fino a poche masse solari al secondo, sebbene la quantità totale persa durante il tempo simulato fosse una frazione minuscola del peso totale della stella, dell'ordine di 10⁻³ masse solari.

Lo studio ha anche evidenziato una differenza critica tra le stelle con campi magnetici più deboli e quelle con i campi estremi trovati negli eventi cosmici più violenti. Nelle stelle con campi più deboli, le forze magnetiche erano troppo lente per interrompere significativamente la rotazione della stella, permettendo al campo magnetico di crescere nel tempo senza causare un collasso immediato. Al contrario, le stelle con i campi magnetici più forti hanno sperimentato una riorganizzazione rapida e turbolenta che o le ha stabilizzate in un nuovo stato o ha accelerato la loro fine. I ricercatori hanno scoperto che il destino di queste stelle dipende da un delicato equilibrio tra quanto velocemente ruotano, quanto sono dense e quanto sono forti i loro campi magnetici. Se il campo magnetico è abbastanza forte e la stella è vicina al suo limite di massa massima, le forze magnetiche possono spostare l'ago della bilancia, trasformando una stella stabile in un buco nero in un battito di ciglia.

Queste scoperte offrono una nuova prospettiva sul ciclo di vita delle stelle di neutroni e sulle conseguenze delle loro collisioni. Suggeriscono che i campi magnetici in questi oggetti non sono solo caratteristiche passive, ma agenti attivi che possono rimodellare la struttura della stella, alterarne la rotazione e determinare se sopravviverà o morirà. Le simulazioni forniscono anche una potenziale spiegazione per certi tipi di lampi di energia brillanti e duraturi osservati nell'universo, che potrebbero essere alimentati da queste stelle appena formate e in rotazione differenziale prima che collassino definitivamente. Sebbene i modelli informatici utilizzati in questo studio siano limitati ai primi momenti della vita della stella, essi forniscono uno sguardo cruciale sulla complessa interazione di forze che governano gli ambienti più estremi dell'universo. Il lavoro sottolinea come, anche nel vuoto dello spazio, i campi magnetici possano essere abbastanza potenti da riscrivere il destino di una stella.