Le strane stelle di neutroni

Come un grattacielo che implode su se stesso lascia delle macerie, anche il nucleo di ferro di una stella massiccia che cede (gli astronomi dicono implode) deve finire da qualche parte e trasformarsi in qualcosa.

Se questo non è molto più grande del Sole, si forma un oggetto davvero strano, più delle nane bianche. Grande circa 20 km (sì, 20 chilometri!), quindi come una grande città, il nucleo è diventato una stella di neutroni, o una pulsar, a seconda dell’angolo con cui la osserviamo da Terra.

In ogni caso siamo di fronte all’oggetto più denso che la nostra mente e l’Universo possano concepire: in uno spazio di una città, è compressa una quantità di materia pari ad almeno una volta e mezzo quella del Sole. E per di più è caldissima, con una temperatura iniziale superiore a un miliardo di gradi!

Per capire quanto sia concentrata una stella di neutroni, immaginiamo di prendere la Terra e comprimerla in una biglia di pochi centimetri di diametro, diciamo una pallina da pingpong sfera di pochi metri di diametro, diciamo una quarantina. Sembra assurdo, ma questi sono gli effetti della forza di gravità quando è generata da oggetti così grandi e con così tanta materia come lo erano le stelle che hanno concepito questo corpo celeste talmente particolare.

Un cucchiaino di materia di una stella di neutroni peserebbe sulla Terra circa 100 milioni di tonnellate, cioè come 100 milioni di automobili poste l’una sull’altra! È impossibile avvicinarsi a una stella di neutroni e raccoglierne un pezzo, anche perché non riusciremmo più a ripartire con la nostra astronave, vista l’enorme forza di gravità nelle sue vicinanze. Se riuscissimo comunque a riportare un cucchiaino di materia qui sulla Terra, sarebbe così pesante e concentrata che probabilmente sprofonderebbe fino al centro del nostro pianeta, perché nessuna superficie solida potrebbe sostenerla.

La densità delle stelle di neutroni è la massima consentita dall’Universo e il motivo è spiegato nel loro nome. I neutroni, infatti, sono delle particelle che costituiscono gli atomi, gli aggregati fondamentali della materia. Ogni atomo possiamo pensarlo formato da un nucleo molto piccolo contenente particelle chiamate protoni, e a volte proprio i neutroni, attorno al quale orbitano delle particelle ancora più piccole chiamate elettroni. Ogni elemento che conosciamo è composto da atomi ma non sono di certo concentrati come una stella di neutroni. In effetti, scopriamo un’altra cosa sorprendente della Natura. Oltre il 99,99% dello spazio di un atomo è semplicemente vuoto! Le particelle che compongono il nucleo, e gli elettroni che gli ruotano intorno, sono estremamente piccole e concentrate, così che ogni atomo, quindi la materia normale, è molto più leggera e meno concentrata di queste ed è di fatto per il 99,99% vuota!

Per fare un confronto con numeri più familiari, possiamo immaginare le particelle che compongono il nucleo atomico grandi come una pallina da tennis; bene, la distanza alla quale l’elettrone orbita attorno al nucleo sarebbe allora  pari a circa 250 metri! In mezzo, il nulla.

Nelle stelle di neutroni la forza di gravità comprime così tanto gli atomi che trasforma quasi tutte le particelle in neutroni e li avvicina fino a eliminare lo spazio vuoto che li avrebbe distanziati in una situazione normale. A questo punto la concentrazione diventa uguale a quella di queste particelle. E allora, da completamente estranee a qualsiasi nostra immaginazione, le stelle di neutroni sono una cosa abbastanza normale: un gigantesco nucleo atomico, almeno una parte di esso, la cui densità è proprio uguale a quella di queste particelle.

Come se non bastasse, i neutroni, così tanto comuni nella materia (tutti gli elementi hanno neutroni nel nucleo, a eccezione della gran parte dell’idrogeno) in realtà hanno un’altra, sorprendente proprietà: possono esistere in condizioni normali solo all’interno degli atomi. Se un neutrone si liberasse dal nucleo e decidesse di esplorare da solo lo spazio, come peraltro fanno spesso gli elettroni che già a poche migliaia di gradi di temperatura si separano dagli atomi, andrebbe incontro a un destino senza scampo. I neutroni liberi, infatti, possono sopravvivere per circa 15 minuti.

La Natura ha deciso che se un neutrone non trova un nucleo atomico nel quale ripararsi entro 15 minuti si trasformerà in un elettrone, un protone e un’altra strana particella chiamata antineutrino. Questa regola vale per tutte le situazioni, eccetto una.

Le stelle di neutroni, allora, sono l’unico luogo dell’Universo in cui possiamo trovare neutroni liberi dai vincoli dei nuclei atomici e in ottima salute, senza che questi corrano il rischio di trasformarsi in altre particelle.

Quindi, possiamo osservare la realtà da un altro punto di vista e chiederci: è più strano pensare che la materia che conosciamo, compresa la nostra pelle, sia fatta per quasi il 100% da spazio vuoto e da particelle, come i neutroni, che libere non hanno vita lunga, oppure che esistano luoghi popolati da neutroni in ottima salute, così compressi da aver eliminato il vuoto presente negli atomi che formano la materia normale? La risposta esatta non esiste, ma una cosa è certa: le nostre idee dipendono molto spesso da punti di vista che non riescono a vedere in modo completo la realtà. Ecco perché prima di dare dei giudizi è consigliabile conoscere bene la situazione che stiamo per giudicare, osservandola magari da diversi punti di vista, non solo quelli per noi più convenienti.

Cosa sono le stelle di neutroni?

La definizione più semplice e sbalorditiva la possiamo avere nel suo stesso nome: è un gigantesco neutrone, dal diametro tipico di 10-20 chilometri.

Ma questa è solamente la punta dell’iceberg, perché le stelle di neutroni sono tra gli oggetti più strani dell’Universo.

Dal collasso di una stella massiccia nascono le stelle di neutroni

Le stelle di neutroni si formano quando una stella molto più massiccia del Sole, almeno 8 volte più, giunge alla fine della propria vita perché ha finito le riserve di carburante da bruciare. La stella a questo punto esplode come una supernova, scagliando nello spazio gran parte della sua materia, ma non tutta.

Il nucleo centrale, nel quale si sviluppavano gran parte delle reazioni di fusione nucleare, collassa su se stesso fino a formare un oggetto di 20 chilometri di diametro nel quale è racchiusa un’enorme quantità di materia, da 1,44 a 3 volte quella del Sole. 

Le immense pressioni dovute alla forza di gravità comprimono le particelle del gas a tal punto da unire protoni ed elettroni per formare neutroni. Questi riescono a essere abbastanza “robusti” per fermare il collasso gravitazionale e far stabilizzare la struttura di questo nuovo oggetto.

Ma una tale massa concentrata in così poco spazio produce sulla superficie della stella di neutroni una forza di gravità incredibile. Se ci trovassimo in questa spiacevole situazione, il nostro corpo peserebbe miliardi di tonnellate e per alzarci di pochi centimetri non basterebbe neanche il razzo più potente mai costruito. Se potessimo raccogliere un cucchiaino di quei neutroni ammassati e riportarlo sulla Terra, peserebbe 100 mila miliardi di volte più di un normale cucchiaio pieno della nostra acqua. 

Riprodurre le stelle di neutroni in laboratorio è impossibile, a meno che non si trovi il modo di comprimere una portaerei nello spazio occupato da un minuscolo granello di sabbia, perché questa è la densità di una stella di neutroni!