Anatomia di una supernova

Fin dalla sua nascita, una stella lotta con la forza di gravità. Finché brucia, libera costantemente abbastanza energia da contrastare la pressione verso l’interno dovuta alla gravità. Ma quando finisce il combustibile la gravità vince: la stella implode, e la maggior parte della sua massa diventa una stella di neutroni – un oggetto ultra-denso delle dimensioni di una città – o un buco nero. Il resto esplode verso l’esterno, volando via nello spazio come pallottole.

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ANATOMIA DI UNA SUPERNOVA

Fin dalla sua nascita, una stella lotta con la forza di gravità. Finché brucia, libera costantemente abbastanza energia da contrastare la pressione verso l’interno dovuta alla gravità. Ma quando finisce il combustibile la gravità vince: la stella implode, e la maggior parte della sua massa diventa una stella di neutroni – un oggetto ultra-denso – o un buco nero. Il resto esplode verso l’esterno, volando via nello spazio come pallottole.

Di recente gli astronomi hanno ottenuto nuove immagini delle conseguenze di questa violenza puntando il James Webb Space Telescope (JWST) sui giovani resti di una supernova denominati Cassiopea A. La luce proveniente dalla sua esplosione ha raggiunto la Terra circa 350 anni fa, più o meno ai tempi di Isaac Newton.
«Questo particolare oggetto è molto importante, perché si trova relativamente vicino ed è giovane, quindi ciò che si vede è un’immagine fissata nel tempo di come è esplosa la stella», dice Robert A. Fesen, astronomo del Dartmouth College.
Gli astronomi studiano lo spettacolo da decenni, ma le osservazioni del JWST sono le più ravvicinate mai effettuate.
«Le immagini del telescopio Webb sono davvero stupefacenti», dice Fesen, che era a capo del primo gruppo che ha osservato Cassiopea A con lo Hubble Space Telescope. Hubble esegue osservazioni soprattutto in luce visibile – la gamma di lunghezze d’onda a cui sono sensibili i nostri occhi – mentre il JWST cattura la radiazione infrarossa, di lunghezza d’onda maggiore, e lo fa con uno specchio più grande, che registra immagini a risoluzione più elevata.
Le fotografie recenti stanno dando agli scienziati nuove possibilità di rispondere ad alcune delle domande più pressanti relative alle supernove: per esempio capire quali tipi di stelle esplodono, e in che modo e come si sviluppano di preciso le esplosioni.
«C’è tanta fisica complicata ma bellissima nel capire come avviene questa esplosione», dice Danny Milisavljevic, astronomo della Purdue University, a capo del gruppo delle immagini ottenute con il JWST.
All’inizio le stelle bruciano idrogeno trasformandolo in elio nelle proprie fornaci di fusione. Esaurito l’idrogeno, fondono l’elio in carbonio, poi il carbonio in neon e così via, fino a quando non arrivano al ferro, che per fondere richiede più energia di quanta ne rilasci. A quel punto, la stella comincia a collassare sotto la propria forza di gravità, e la materia di cui è composta precipita verso il centro finché la maggior parte dei protoni e degli elettroni al suo interno non sono schiacciati insieme a formare neutroni. Alla fine, i neutroni non possono collassare ulteriormente: diventano stelle di neutroni, in cui le particelle subiscono pressioni così estreme da innescare un’onda d’urto respingente.

HUBBLE. Prima delle immagini del JWST, le osservazioni di Cassiopea A effettuate dal telescopio spaziale Hubble sono state rivoluzionarie. Nelle foto scattate nel 2006, Hubble ha migliorato la risoluzione delle osservazioni dalla superficie terrestre di un fattore dieci. Così è stato possibile risolvere aggregati di materiale espulso dalla supernova che viaggiavano a velocità stupefacente, di 8000-10.000 chilometri al secondo. «L’esplosione è incredibilmente violenta», dice Fesen. «Gli strati esterni della stella sembrano frammentarsi in aggregati di gas, quasi come se la stella si fosse spezzata in mille e mille pezzi». Gli scienziati non avevano capito che la deflagrazione poteva produrre simili frammenti, dice Fesen. «La natura ha dovuto farci vedere che le stelle lo fanno».

Il JWST è il più potente telescopio costruito finora, e il suo ritratto di Cassiopea A mostra dettagli mai visti prima. Lo strumento per le osservazioni nell’infrarosso medio di cui è dotato (MIRI) cattura varie bande di luce infrarossa, che in questa immagine sono state convertite in specifici colori della luce visibile. I flussi arancioni e rossi mostrano i punti in cui il materiale proveniente dall’esplosione stellare collide con gas e polveri della zona circostante. All’interno di questo guscio ci sono brillanti filamenti rosa rilasciati nell’esplosione. Il groviglio rosso scuro rappresenta una struttura prodotta dalla deflagrazione e ancora intatta, che potrebbe contenere indizi su com’era la stella prima di esplodere.

La luce infrarossa è invisibile ai nostri occhi, quindi nell’elaborare le immagini di Webb gli scienziati rappresentano queste lunghezze d’onda della radiazione con colori visibili. In questa foto recente di Cas A, i colori sono stati assegnati ai diversi filtri di NIRCam e ciascuno di essi suggerisce una diversa attività che si verifica all’interno dell’oggetto. I colori più evidenti sono ciuffi di arancione brillante e rosa chiaro, che compongono il guscio interno del resto di supernova. La vista estremamente nitida di Webb è stata in grado di rilevare i più piccoli grumi di gas, composti da zolfo, ossigeno, argon e neon, provenienti dalla stella stessa. In questo gas è racchiusa una miscela di polvere e molecole, che alla fine verrà incorporata in nuove stelle e sistemi planetari. Alcuni filamenti di detriti sono troppo piccoli per essere risolti, anche da Webb, il che significa che sono paragonabili o inferiori a 16 miliardi di chilometri (corrispondenti a circa 100 Unità Astronomiche). In confronto, l’intera Cas A si estende per 10 anni luce, ovvero circa 96 trilioni di chilometri. Nell’angolo in basso a destra del campo visivo di NIRCam c’è una grande massa striata, soprannominata “Baby Cas A” (dettaglio 4 nell’immagine soprastante), che sembra un discendente della supernova principale. Si tratta di un’eco della luce proveniente dall’esplosione della stella, che ha raggiunto e sta riscaldando la polvere lontana, che brilla mentre si raffredda. La complessità della struttura della polvere e l’apparente vicinanza di Baby Cas A al resto di supernova complessivo sono particolarmente interessanti. In realtà, Baby Cas A si trova a circa 170 anni luce dietro il resto della supernova.

(Solo le stelle di più massicce in assoluto finiscono la propria vita come supernove. Il Sole, per esempio, si limiterà a indebolirsi diventando una nana bianca.)
Gli astronomi non sanno ancora rendere conto appieno della potenza delle esplosioni di supernova.
«Si riteneva che l’onda d’urto di rimbalzo generata quando si forma la stella di neutroni potesse far esplodere la stella», dice Milisavljevic. «Ma decenni di simulazioni sui più veloci computer del mondo hanno mostrato che quell’onda non è abbastanza forte da superare i massicci strati superiori che cercano di cadere all’interno».
Quale che sia, per ora il motore centrale delle esplosioni di supernova resta un mistero. I ricercatori sospettano che la risposta abbia a che fare con i neutrini, particelle quasi prive di massa che tendono ad attraversare la materia senza esserne ostacolati. Forse, alle densità e temperature altissime del nucleo di una stella, parte dell’energia dei neutrini va a intensificare l’onda d’urto. Ma per verificare l’idea sono necessarie altre osservazioni.
Fra le novità rivelate dal JWST su Cassiopea A c’è uno strato di gas fuggito dalla sua stella durante l’esplosione. Le immagini mostrano il gas prima che interagisse con il materiale esterno alla stella e prima che fosse riscaldato da un riflesso dell’onda d’urto espulsa dalla stella nella sua eruzione. Questo materiale espulso, ancora intatto, mostra una struttura intricata che offre indizi sulle caratteristiche della stella prima dell’esplosione.
«In pratica, il JWST ci ha dato una mappa della struttura di questo materiale », dice Tea Temim, un’astronoma della Princeton University che ha partecipato all’elaborazione delle immagini. «Questo ci dice qual era la distribuzione del materiale prima che fosse espulso nella supernova. Non eravamo mai riusciti a vedere nulla del genere prima».
Lo studio ha svelato anche un elemento inatteso di Cassiopea A, che gli scienziati hanno chiamato Green Monster (Mostro Verde). Ritengono che questo strato di gas sia stato espulso dalla stella prima che esplodesse.
«È stata una sorpresa entusiasmante», dice Temim. Gli scienziati sono interessati a quello che accade quando i detriti della supernova volano nel materiale del Mostro Verde. «È importante – dice Temim – perché quando osserviamo le supernove extragalattiche la loro luce è molto influenzata dal materiale circostante».

Dettagli del mostro verde

Decifrare i dettagli delle supernove potrebbe persino aiutarci a capire come sono nati la Terra e la vita che la abita. Le stelle creano gli elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio necessari alla vita. Le eruzioni con cui termina la loro esistenza scagliano questi elementi nello spazio, seminando per le galassie i materiali grezzi da cui si formano nuove stelle e pianeti.
«È importante per noi, cittadini dell’universo, capire questo fondamentale processo che rende possibile la nostra presenza in esso», dice Milisavljevic. Gli astronomi continueranno a studiare Cassiopea A, anche se i successi raggiunti li spingono a rivolgere l’occhio del JWST verso qualcuno degli altri circa 400 resti di supernova identificati nella nostra galassia. Un campione più vasto servirà agli astronomi per correlare le differenze tra l’aspetto e l’evoluzione dei resti alle differenze tra le stelle che li hanno prodotti.

Clara Moskowitz è redattrice senior di «Scientific American», si occupa di astronomia, spazio, fisica e matematica.

Eugenio Caruso - 18 marzo 2025

Tratto da Scientific American