Gli astronomi credono da tempo che la Via Lattea sia piena di stelle di neutroni, i resti ultra-densi che si formano quando stelle massicce esplodono. Il problema è che la maggior parte di questi oggetti è quasi impossibile da vedere. Un nuovo studio pubblicato su Astronomy and Astrophysics suggerisce che il futuro telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA potrebbe finalmente essere in grado di scoprirne alcuni.
Utilizzando simulazioni avanzate della Via Lattea e previsioni delle future osservazioni di Roman, i ricercatori hanno scoperto che il telescopio spaziale potrebbe rilevare e studiare decine di stelle di neutroni isolate attraverso un fenomeno noto come microlensing gravitazionale.
“La maggior parte delle stelle di neutroni sono relativamente deboli e isolate”, ha affermato Zofia Kaczmarek dell’Università di Heidelberg, in Germania, che ha guidato lo studio. “Sono incredibilmente difficili da individuare senza un qualche tipo di ausilio.”
Come Roman riuscì a rilevare stelle di neutroni invisibili
Le stelle di neutroni contengono una massa superiore a quella del Sole, concentrata in un oggetto grande all’incirca quanto una città. Gli scienziati le studiano per comprendere meglio come le stelle si evolvono, esplodono e distribuiscono gli elementi pesanti nell’universo. Offrono inoltre una rara opportunità di studiare la materia nelle condizioni più estreme immaginabili (pressioni e densità).
La maggior parte delle stelle di neutroni rimane nascosta, a meno che non si presentino come pulsar, emettendo onde radio o brillando intensamente ai raggi X. Persino i telescopi più potenti possono non riuscire a individuare stelle di neutroni isolate che producono poca o nessuna luce rilevabile.
Il telescopio spaziale Roman è riuscito a individuarle indirettamente. Quando un oggetto massiccio, come una stella di neutroni, passa davanti a una stella più distante, la sua gravità curva e amplifica la luce della stella di sfondo. Questo effetto, chiamato microlensing, fa apparire temporaneamente la stella distante più luminosa e leggermente spostata nel cielo.
Molti telescopi sono in grado di rilevare il breve aumento di luminosità causato dal microlensing, ma si prevede che Roman farà molto di più. L’osservatorio misurerà con precisione sia l’aumento di luminosità (fotometria) sia il minuscolo spostamento di posizione (astrometria) della stella di sfondo.
Poiché le stelle di neutroni sono relativamente massicce, generano un segnale astrometrico più intenso rispetto agli oggetti più piccoli. Ciò significa che Roman potrebbe non solo rilevare stelle di neutroni nascoste, ma anche misurarne le masse, un’impresa estremamente difficile da realizzare utilizzando la sola fotometria.
“L’aspetto davvero interessante dell’utilizzo del microlensing è la possibilità di ottenere misurazioni dirette della massa”, ha affermato Peter McGill del Lawrence Livermore National Laboratory, coautore dello studio. “La fotometria ci dice che qualcosa è passato davanti alla stella, ma è la variazione di posizione della stella che ci indica la massa di quell’oggetto. Misurando questa minuscola deflessione nel cielo, possiamo pesare direttamente qualcosa che altrimenti sarebbe invisibile.”
Risolvere i misteri delle stelle di neutroni
Le osservazioni di Roman potrebbero aiutare gli scienziati a rispondere a importanti interrogativi sulle stelle di neutroni e sui buchi neri, tra cui se esista davvero un divario tra le loro masse. La missione potrebbe anche rivelare la velocità con cui le stelle di neutroni si muovono attraverso la galassia.
I ricercatori sono particolarmente interessati ai potenti “calci” che le stelle di neutroni ricevono durante le esplosioni di supernova. Questi eventi violenti possono proiettarle nello spazio a centinaia di chilometri al secondo.
Il team prevede di utilizzare il futuro strumento Galactic Bulge Time Domain Survey di Roman, che osserverà ripetutamente milioni di stelle in enormi porzioni di cielo.
“Ci metteremo al lavoro non appena inizieremo ad avere i dati”, ha affermato McGill. “Anche nei primi mesi successivi all’avvio del sistema, prevediamo di iniziare a individuare eventi promettenti.”
Anche un numero modesto di scoperte confermate potrebbe migliorare significativamente i modelli delle esplosioni stellari e il comportamento della materia in condizioni estreme.
“Non conosciamo la distribuzione di massa delle stelle di neutroni, dei buchi neri, né dove finisce l’uno e inizia l’altro con certezza”, ha affermato McGill. “Roman rappresenterà una vera svolta in questo campo.”
Una popolazione nascosta in attesa di essere scoperta
Finora, gli astronomi hanno identificato solo poche migliaia di stelle di neutroni, la maggior parte delle quali rilevate come pulsar. Tuttavia, gli scienziati stimano che la Via Lattea potrebbe contenerne da decine a centinaia di milioni. I ricercatori sono stati inoltre in grado di misurare le masse delle stelle di neutroni solo in sistemi binari, in cui due oggetti orbitano l’uno intorno all’altro.
“Stiamo osservando un piccolo campione che non è rappresentativo del quadro generale”, ha affermato Kaczmarek. “Anche una singola misurazione della massa sarebbe molto significativa. Se trovassimo anche una sola stella di neutroni isolata, sarebbe già incredibilmente stimolante per la nostra ricerca.”
Lo studio mette inoltre in luce un vantaggio scientifico inatteso della missione Roman. Sebbene la missione del telescopio fosse stata originariamente concepita principalmente per scoprire esopianeti tramite microlensing fotometrico, la sua elevata precisione astrometrica potrebbe aprire la strada a scoperte di tutt’altro genere.
“Questo non faceva parte del piano originale”, ha detto McGill. “Ma si è scoperto che le capacità astrometriche di Roman sono davvero ottime per rilevare stelle di neutroni e buchi neri, quindi possiamo aggiungere un tipo di ricerca completamente nuovo alle osservazioni di Roman.”
Se le previsioni si riveleranno corrette, Roman potrebbe realizzare la prima grande collezione di stelle di neutroni isolate, individuate esclusivamente grazie ai loro effetti gravitazionali. Si prevede che la missione amplierà notevolmente lo studio del microlensing e porterà alla luce popolazioni nascoste di oggetti in tutta la Via Lattea, inclusi pianeti erranti e resti stellari come le stelle di neutroni.
Il telescopio spaziale Nancy Grace Roman è gestito dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, con la partecipazione del Jet Propulsion Laboratory della NASA nella California meridionale; del Caltech/IPAC di Pasadena, in California; dello Space Telescope Science Institute di Baltimora; e di un team scientifico composto da scienziati provenienti da diverse istituzioni di ricerca. I principali partner industriali sono BAE Systems Inc. di Boulder, in Colorado; L3Harris Technologies di Rochester, nello Stato di New York; e Teledyne Scientific & Imaging di Thousand Oaks, in California.
Astratto
Contesto . Notoriamente difficili da rilevare e studiare, le stelle di neutroni isolate (NS) potrebbero fornire risposte preziose a domande fondamentali sull’evoluzione stellare e sulla fisica delle esplosioni. Con il prossimo telescopio spaziale Roman , il cui lancio è previsto per il 2026, sarà disponibile un nuovo e potente canale per la loro rilevazione: il microlensing astrometrico.
Obiettivi . Ci proponiamo di creare un campione realistico di eventi di microlensing gravitazionale simulati, come quelli osservati da Roman con il Galactic Bulge Time Domain Survey. Ci concentriamo in particolare sulla popolazione di lenti gravitazionali di stelle di neutroni, che finora è stata ampiamente trascurata.
Metodi . Abbiamo utilizzato modelli galattici specifici, adattati per l’applicazione al microlensing da parte di oggetti compatti. Oltre alle popolazioni di stelle, nane bianche e buchi neri, abbiamo simulato quattro diverse popolazioni di stelle di neutroni con distribuzioni di accelerazione di Maxwell: v previsti da Roman . = (150, 250, 350, 450) km/s. Per ogni simulazione, abbiamo applicato i criteri di precisione, cadenza e rilevabilità
Risultati . Abbiamo scoperto che lo spazio dei parametri log 10 t E –log 10 θ E , che sarà accessibile alle osservazioni di Roman , è efficiente per la classificazione dei resti stellari. Abbiamo trovato una caratteristica in questo spazio che è tipica delle stelle di neutroni (NS); utilizzando questa caratteristica, è possibile costruire campioni ottimali di candidati NS da set di dati simili a quelli di Roman . Descriviamo la dipendenza delle distribuzioni dei parametri osservabili dalle velocità medie di rinculo ipotizzate. Poiché gli effetti dei rinculi natali sono molto complessi e si contrastano reciprocamente, suggeriamo che siano necessari studi più dettagliati incentrati sulla dinamica delle NS in previsione di Roman e delle future indagini. Stimiamo che Roman osserverà circa 11.000 eventi di microlensing, inclusi ~100 con lenti di stelle di neutroni, i cui segnali fotometrici e astrometrici sono rilevabili; il numero di eventi diminuisce del 38% quando non vengono incluse le osservazioni a bassa cadenza di riempimento. Rendiamo pubblici tutti i set di dati simulati degli eventi di microlensing in preparazione dei dati di Roman .
Materials provided by NASA. Original written by Hannah Braun. Note: Content may be edited for style and length.
Z. Kaczmarek, A. Halasi-Kun, P. McGill, S. E. Perkins, W. A. Dawson. Astrometric microlensing probes of the isolated neutron star population with Roman. Astronomy, 2026; 707: A264 DOI: 10.1051/0004-6361/202558238
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