Gli astronomi assistono per la prima volta alla nascita di una magnetar.

La scoperta convalida anche una teoria proposta per la prima volta 16 anni fa da un fisico dell’Università della California a Berkeley e rivela una caratteristica finora sconosciuta di alcune stelle che esplodono: un caratteristico “cinguettio” nella loro luce che può essere spiegato solo utilizzando la teoria della relatività generale di Einstein. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature .

Il mistero che si cela dietro le supernove più brillanti

Le supernove superluminose sono tra le esplosioni più spettacolari dell’universo, brillando 10 o più volte più intensamente delle supernove ordinarie. Da quando gli astronomi le hanno identificate per la prima volta all’inizio degli anni 2000, si sono sforzati di spiegare perché queste esplosioni rimangano così intense e luminose anche molto tempo dopo che il nucleo di ferro di una stella massiccia collassa e proietta i suoi strati esterni nello spazio.

Nel 2010, l’astrofisico teorico Dan Kasen dell’Università della California a Berkeley propose che la risposta risiedesse in una magnetar appena nata. La sua teoria, elaborata in collaborazione con Lars Bildsten e suggerita indipendentemente da Stanford Woosley dell’Università della California a Santa Cruz, sosteneva che quando una stella enorme raggiunge la fine della sua vita, il suo nucleo può collassare in una stella di neutroni incredibilmente densa anziché trasformarsi in un buco nero.

Se la stella originaria possedeva un potente campo magnetico, il collasso lo amplificherebbe drasticamente, producendo una magnetar con un campo magnetico da 100 a 1.000 volte più forte di quello di una tipica pulsar. Sebbene sia le pulsar che le magnetar abbiano un diametro di soli 16 chilometri circa, le giovani magnetar possono ruotare più di 1.000 volte al secondo.

Durante la loro rotazione, i loro potenti campi magnetici accelerano le particelle cariche che si scontrano con i detriti in espansione della supernova, immettendo energia extra che mantiene l’esplosione luminosa molto più a lungo del previsto. Si ritiene inoltre che le magnetar generino misteriosi lampi radio veloci.

Una supernova “cinguettante” rivela la verità

Lo studente di dottorato Joseph Farah dell’UC Santa Barbara e dell’Osservatorio di Las Cumbres (LCO) ha trovato la prova più convincente finora a sostegno di questa teoria dopo aver studiato una supernova scoperta nel 2024, nota come SN 2024afav. Farah, che entrerà a far parte del gruppo di ricerca di Kasen all’UC Berkeley questo autunno come borsista post-dottorato Miller, e i suoi colleghi hanno concluso che le anomalie nella curva di luce della supernova forniscono una prova diretta della formazione di una magnetar durante l’esplosione.

“Ciò che è davvero entusiasmante è che questa è la prova definitiva della formazione di una magnetar a seguito del collasso del nucleo di una supernova superluminosa”, ha affermato Alex Filippenko, illustre professore di astronomia all’UC Berkeley, coautore dello studio e uno dei futuri mentori di Farah.

“Il modello di Dan Kasen e Stan Woosley si basa sull’idea che basti l’energia della magnetar situata nelle profondità della supernova, una buona parte della quale verrebbe assorbita, spiegando così la sua superluminosità. Ciò che non era stato dimostrato era che una magnetar si formasse effettivamente al centro della supernova, ed è proprio questo che dimostra l’articolo di Joseph.”

Kasen ha affermato che i ricercatori sospettavano da tempo che una magnetar nascosta fosse la fonte di energia di queste straordinarie esplosioni.

“Per anni, l’idea della magnetar è sembrata quasi un trucco di magia da teorico: un potente motore nascosto dietro strati di detriti di supernova. Era una spiegazione naturale per la straordinaria luminosità di queste esplosioni, ma non potevamo vederlo direttamente”, ha affermato. “Il segnale intermittente di questa supernova è come se quel motore sollevasse il velo e rivelasse che è davvero lì.”

Tracciare un’esplosione a un miliardo di anni luce di distanza

Dopo la scoperta di SN 2024afav nel dicembre 2024, l’Osservatorio di Las Cumbres, una rete mondiale di 27 telescopi, ha monitorato l’esplosione per oltre 200 giorni. La supernova si è verificata a circa un miliardo di anni luce dalla Terra.

Farah e l’astronomo dell’UCSB Andy Howell hanno notato qualcosa di insolito dopo che la supernova ha raggiunto la massima luminosità circa 50 giorni dopo l’esplosione. Invece di affievolirsi gradualmente, come fanno la maggior parte delle supernove, la sua luminosità è aumentata e diminuita ripetutamente. Gli intervalli tra queste fluttuazioni si sono progressivamente accorciati, creando quattro picchi distinti nella curva di luce.

Farah ha paragonato lo schema all’intonazione ascendente del cinguettio di un uccello.

Le precedenti supernove superluminose avevano occasionalmente mostrato uno o due rigonfiamenti, spesso spiegati come onde d’urto che si scontravano con gli strati di gas che circondavano la stella morente. Ma nessun evento precedente ne aveva mostrati quattro.

La relatività generale di Einstein spiega il segnale

Il modello di Farah suggerisce che parte del materiale espulso dall’esplosione sia poi ricaduto verso la magnetar neonata, formando un disco di accrescimento.

Poiché questo disco era probabilmente inclinato rispetto alla rotazione della magnetar, la teoria di Einstein prevede che la stella di neutroni in rapida rotazione trascini con sé il tessuto circostante dello spaziotempo, producendo un fenomeno chiamato precessione di Lense-Thirring. Questo effetto fa sì che il disco inclinato oscilli.

Poiché il disco oscillante blocca e riflette periodicamente la luce della magnetar, il sistema si comporta come un faro cosmico lampeggiante. Col tempo, il disco si avvicina a spirale, accelerando l’oscillazione. Ciò fa sì che gli impulsi luminosi arrivino più rapidamente, producendo il caratteristico “cinguettio” rilevato dagli astronomi.

“Abbiamo testato diverse ipotesi, tra cui effetti puramente newtoniani e la precessione guidata dai campi magnetici della magnetar, ma solo la precessione di Lense-Thirring ha riprodotto perfettamente i tempi”, ha affermato Farah. “È la prima volta che la relatività generale si è rivelata necessaria per descrivere la meccanica di una supernova.”

Il team ha inoltre stimato che la stella di neutroni ruota su se stessa ogni 4,2 millisecondi e possiede un campo magnetico circa 300 trilioni di volte più forte di quello terrestre, entrambe caratteristiche tipiche di una magnetar.

“Credo che Joseph abbia trovato la prova schiacciante”, ha detto Howell. “Ha collegato le anomalie al modello delle magnetar e ha spiegato tutto con la teoria più collaudata in astrofisica: la relatività generale. È incredibilmente elegante.”

Filippenko ha aggiunto: “Vedere un effetto concreto della teoria della relatività generale di Einstein è sempre emozionante, ma vederlo per la prima volta in una supernova è particolarmente gratificante”.

Rimangono ancora molti misteri

I ricercatori avvertono che le magnetar potrebbero non spiegare tutte le supernove superluminose.

Alcune potrebbero invece diventare più luminose quando l’onda d’urto dell’esplosione si scontra con il materiale circostante. Kasen ha anche ipotizzato che se una stella in collasso formasse un buco nero invece di una magnetar, potrebbe ugualmente produrre una supernova insolitamente luminosa. Anche un disco di accrescimento inclinato attorno a un buco nero potrebbe creare delle anomalie nella curva di luce.

“Non sappiamo quale frazione delle supernove superluminose di tipo I possa essere alimentata da materiale circumstellare, ma è sicuramente una frazione inferiore a quanto pensavamo in precedenza, perché questa scoperta ne spiega chiaramente l’esistenza in alcune di esse”, ha affermato Filippenko.

Farah prevede che gli astronomi scopriranno molte altre supernove “cinguettanti” una volta che l’Osservatorio Vera C. Rubin inizierà la sua indagine senza precedenti del cielo notturno.

“Questa è la cosa più emozionante a cui abbia mai avuto il privilegio di partecipare. Questa è la scienza che sognavo da bambino”, ha detto Farah. “È l’universo che ci dice a gran voce e in faccia che non lo comprendiamo ancora appieno, e ci sfida a spiegarlo.”

Howell, Logan Prust, ora al Flatiron Institute di New York, e Yuan Qi Ni dell’UCSB hanno contribuito in egual misura alla ricerca. Filippenko ha ringraziato Christopher R. Redlich e molti altri donatori per il supporto finanziario.

Abstract

Le supernove superluminose di tipo I (SLSNe-I) sono almeno un ordine di grandezza più brillanti delle supernove standard, e la fonte di energia della loro luminosità è ancora sconosciuta. Si ipotizza che i motori centrali di SLSNe-I siano magnetar. ^{4 , 5} ma la maggior parte delle curve di luce delle SLSNe-I presentano diverse anomalie che non sono spiegate dal modello standard delle magnetar ^{6 , 7 , 8} Le spiegazioni esistenti per le anomalie si basano sulla modulazione della luminosità del motore o sull’invocazione di interazioni con il materiale circumstellare (CSM). Le analisi del campione limitato di curve di luce di SLSN-I non hanno trovato prove convincenti a favore di nessuno dei due scenari. ^{7 , 9} , lasciando irrisolti sia la natura delle fluttuazioni della curva di luce sia l’applicabilità del modello della magnetar. Qui riportiamo osservazioni multibanda ad alta cadenza di una SLSN-I con chiari picchi di curva di luce “chirpati” (cioè, con periodo decrescente) che possono essere collegati direttamente alle proprietà del motore centrale della magnetar. Le nostre osservazioni sono coerenti con una magnetar situata centralmente all’interno dell’ejecta di supernova in espansione, circondata da un disco di accrescimento in caduta che subisce precessione di Lense-Thirring. La nostra analisi dimostra che la curva di luce e la frequenza dei picchi vincolano in modo indipendente e autoconsistente il periodo di rotazione della magnetar a P = 4,2 ± 0,2 ms e l’intensità del campo magnetico a B = (1,6 ± 0,1) × 10 ¹⁴ G. Questi risultati forniscono la prima prova osservativa dell’effetto Lense-Thirring nell’ambiente di una magnetar e confermano il modello di rallentamento della rotazione della magnetar come spiegazione per l’estrema luminosità osservata in SLSNe-I. Prevediamo che questa scoperta aprirà nuove prospettive per testare la relatività generale in un nuovo regime: i centri violenti delle giovani supernovae.