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Astronomia

Pulsar e materia condensata

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La scoperta delle Pulsar ha messo in evidenza la correttezza delle teorie quantistiche sulla materia condensata altrimenti difficilmente verificabili con esperimenti di laboratorio.
Ma procediamo con ordine perchè la storia della scoperta delle Pulsar è affascinante per il modo con cui è avvenuta e per le suggestioni che ha lasciato.

Alla fine del 1967 una studentessa di astronomia J.B. Bell lavorava al Cambridge Institute effettuando delle osservazioni al radiotelescopio di Cambridge con la supervisione di A. Hewish. La sua ricerca consisteva nello studiare le rapide variazioni nella emissione radio dei Quasar scoperti, pochi anni prima, da M. Schmidt. Dopo diverse settimane di lavoro infruttuoso J. Bell nel novembre del '67 osservò che il segnale registrato sul flusso di carta del registratore automatico, mostrava una serie di impulsi ad intervalli regolari di circa 11/3 di secondo. La ricercatrice contattò immediatamente Hewish e la prima sua reazione fu quella interpretare i segnali come un'interferenza o dei disturbi prodotti in prossimità dell'interferometro; e quindi non di natura interstellare. Il segnale però venne intercettato anche il giorno seguente con lo stesso tipo di periodicità della precedente osservazione.
Si rafforzò l'ipotesi che si trattasse di segnali extra-terrestri, ma rimase la suggestione più che il dubbio che, data la loro regolarità, fossero segnali artificiali. E' per questo che vennero indicati con la sigla di LGM ovvero "little green man", attribuendo, quasi per scherzo, l'origine di questi segnali ad un tentativo di comunicazione da parte di una civiltà extraterrestre.

La faccenda diventò ancor più intrigante quando J. Bell, facendo osservazioni in una zona del cielo completamente diversa, scoprì poco prima di Natale un ulteriore serie di impulsi di durata pari ad 1/5 di secondo! A questo punto non poteva più essere trascurata l'ipotesi di una serie di sorgenti astronomiche e quindi si fece strada l'idea che ci si trovava davanti ad una nuova classe di sorgenti astronomiche con una rapidissima variabilità intrinseca. In conseguenza della ridottissima periodicità tali sorgenti dovevano avere dimensioni molto piccole, probabilmente paragonabili a quelle di una stella. Alla fine di gennaio del 1968 fu sottomesso a Nature l'articolo della scoperta delle pulsar, anche perchè il numero di queste sorgenti "pulsate" era aumentato ancora di diverse unità. Nel primo seminario A. Hewish a Cambridge ci fu l'intervento di. Hoyle che suggerì la prima possibile spiegazione, cioè che sorgenti dell'emissione radio dovessero essere dei resti di Supernova piuttosto che delle Nane Bianche.
L'idea che si dovesse associare delle sorgenti stellari "compatte" all'emissione pulsata, sembrava una naturale spiegazione dell'emissione radio.

Il primo che mise in evidenza le proprietà di questi stadi avanzati e densi nella vita di una stella fu l'astronomo indiano S. Chandrasekhar. Questi  stabilì che stelle di massa inferiore ad 1,4 masse solari avrebbero concluso la loro esistenza, in seguito all'esaurimento del loro combustibile nucleare, come Nane Bianche. Oltre questo limite, cioè per un progenitore di massa superiore ad 1,4 ma inferiore a 3 masse solari, la stella si evolverebbe verso uno stato ancor più denso delle Nane Bianche:  le stelle di neutroni Infine, oltre le 3 masse solari, Oppenheimer e Volkov dimostrarono l'impossibilità di sostenere il collasso gravitazionale alla fine della vita della stella e la formazione di un Buco Nero.

Dal momento che già erano osservate in cielo le Nane Bianche, ad esempio la stella Sirius b , ecco che la prima idea, quella più naturale, fu di spiegare le pulsar come Nane Bianche in rapida rotazione. Due fisici teorici, J. Gribbon e J. Skilling, notarono che per rendere conto dei periodi osservati delle pulsar, si dovevano però assumere periodi di rotazione così rapidi da rendere instabile la Nana Bianca. Sfumata questa possibilità ci si rivolse quindi alle  stelle di neutroni, ancora più dense, ma che potessero rimanere stabili pur con rapidi periodi di rotazione.

Poco prima dell'annuncio della scoperta delle pulsar l'astrofisico italiano F. Pacini pubblicò un articolo in cui mise in evidenza che, se una stella collassa a stella di neutroni, si avrebbe come conseguenza un rafforzamento della sua rotazione ma soprattutto del suo campo magnetico. Si produrrebbe un intenso campo di dipolo magnetico rotante che, tramite il famoso effetto "faro", dovrebbe produrre una emissione radio pulsata, cioè modulata sul rapidissimo periodo di rotazione della stella di neutroni. Il modello del rotatore magnetico obliquo fu confermato anche da Gould e divenne il principale riferimento per spiegare questi singolari corpi celesti. Dal 1967 sono state scoperte centinaia di pulsar alcune con periodi brevissimi  ed altre, sorprendentemente, binarie, cioè formate da due stelle di neutroni in rapida rotazione. La scoperta delle pulsar valse ad A. Hewish, ma non alla sua studentessa J. Bell, il premio Nobel ed in seguito lo stesso premio venne conferito agli scopritori, Hulse e Taylor, della prima pulsar binaria.  L'importanza di questa pulsar binaria è soprattutto legata all'unica prova delle onde gravitazionali la cui esistenza è rimasta per tanto tempo un'affascinante ipotesi, ma che con la scoperta del pulsar binario PSR 1913+16 ha ottenuto la prima ed unica verifica osservativa.