Stelle circa 8 volte più massicce del Sole esplodono come supernovae alla fine della loro vita. Le esplosioni, che lasciano dietro di sé un buco nero o una stella di neutroni, sono così energiche che possono eclissare le galassie che le ospitano per mesi. Tuttavia, ora gli astronomi sembrano aver individuato una stella massiccia che ha saltato l’esplosione e si è trasformata direttamente in un buco nero. Le stelle vivono in un equilibrio tra la forza esterna della fusione e la forza interna della loro stessa gravità. Quando una stella massiccia entra nelle sue ultime fasi evolutive, inizia a esaurire l’idrogeno e la sua fusione si indebolisce. La forza esterna della fusione non può più contrastare la potente gravità della stella e la stella collassa su se stessa. Il risultato è un’esplosione di supernova, un evento calamitoso che distrugge la stella e lascia dietro di sé un buco nero o una stella di neutroni.
Tuttavia, sembra che a volte queste stelle non riescano a esplodere come supernovae e invece si trasformino direttamente in buchi neri. Una nuova ricerca mostra come una stella supergigante massiccia e priva di idrogeno nella galassia di Andromeda (M31) non sia riuscita a esplodere come supernova. L’autore principale è Kishalay De, ricercatore post-dottorato presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research al MIT.
Questi tipi di supernovae sono chiamate supernovae a collasso del nucleo, note anche come Tipo II. Sono relativamente rare, con una che si verifica circa ogni cento anni nella Via Lattea. Gli scienziati sono interessati alle supernovae perché sono responsabili della creazione di molti degli elementi pesanti e le loro onde d’urto possono innescare la formazione di stelle. Creano anche raggi cosmici che possono raggiungere la Terra. Questa nuova ricerca mostra che potremmo non aver compreso le supernovae così bene come pensavamo.
Il caso di M31-2014-DS1
La stella in questione si chiama M31-2014-DS1. Gli astronomi hanno notato che si stava illuminando nel medio infrarosso (MIR) nel 2014. Per mille giorni, la sua luminosità è rimasta costante. Poi, per altri mille giorni tra il 2016 e il 2019, è svanita drasticamente. Si tratta di una stella variabile, ma questo non può spiegare queste fluttuazioni. Nel 2023, non è stata rilevata nelle osservazioni di imaging ottico profondo e vicino all’infrarosso (NIR).
I ricercatori affermano che la stella è nata con una massa iniziale di circa 20 masse stellari e ha raggiunto la sua fase terminale di combustione nucleare con circa 6,7 masse stellari. Le loro osservazioni suggeriscono che la stella è circondata da un guscio di polvere espulso di recente, in accordo con un’esplosione di supernova, ma non ci sono prove di un’esplosione ottica.
“Il drastico e sostenuto affievolimento di M31-2014-DS1 è eccezionale nel panorama della variabilità delle stelle massicce ed evolute“, scrivono gli autori dello studio. “Il calo improvviso di luminosità in M31-2014-DS1 indica la cessazione della combustione nucleare insieme a un successivo shock che non riesce a superare il materiale in caduta”.
Un’esplosione di supernova è così potente che supera completamente il materiale in caduta. “In assenza di prove di un’esplosione luminosa a tale distanza, le osservazioni di M31-2014-DS1 rivelano le firme di una SN “fallita” che porta al collasso del nucleo stellare”, spiegano gli autori.
Perché una stella non esplode in supernova
Cosa potrebbe far sì che una stella non esploda come una supernova, anche se ha la massa giusta per esplodere?
Le supernovae sono eventi complessi. La densità all’interno di un nucleo in collasso è così estrema che gli elettroni sono costretti a combinarsi con i protoni, creando sia neutroni che neutrini. Questo processo è chiamato neutronizzazione e crea una potente esplosione di neutrini che trasporta circa il 10% dell’energia della massa a riposo della stella. L’esplosione è chiamata shock di neutrini.
I neutrini prendono il nome dal fatto che sono elettricamente neutri e raramente interagiscono con la materia ordinaria. Ogni secondo, circa 400 miliardi di neutrini provenienti dal nostro Sole attraversano ogni persona sulla Terra. Ma in un nucleo stellare denso, la densità dei neutrini è così estrema che alcuni di essi depositano la loro energia nel materiale stellare circostante. Ciò riscalda il materiale, che genera un’onda d’urto. L’onda d’urto dei neutrini si blocca sempre, ma a volte si rianima. Quando si rianima, provoca un’esplosione ed espelle lo strato esterno della supernova. Se non si rianima, l’onda d’urto fallisce e la stella collassa e forma un buco nero.
In M31-2014-DS1, l’onda d’urto dei neutrini non si è rianimata. I ricercatori sono stati in grado di limitare la quantità di materiale espulso dalla stella, ed era molto al di sotto di quella che una supernova espellerebbe. “Queste limitazioni implicano che la maggior parte del materiale stellare sia collassata nel nucleo, superando la massa massima di una stella di neutroni (NS) e formando un buco nero“, concludono gli autori dello studio.
Circa il 98% della massa della stella è collassata e ha creato un buco nero con circa 6,5 masse solari.
Le supernovae fallite
M31-2014-DS1 non è l’unica supernova fallita, o candidata a supernova fallita, che gli astronomi hanno trovato. Sono difficili da individuare perché sono caratterizzate da ciò che non accade piuttosto che da ciò che accade. Una supernova è difficile da non notare perché è molto luminosa e appare nel cielo all’improvviso. Gli antichi astronomi ne hanno registrate diverse.
Nel 2009, gli astronomi hanno scoperto l’altra unica supernova fallita confermata. Era una stella rossa supergigante in NGC 6946, la “Galassia Fuochi d’Artificio”. Si chiama N6946-BH1 e ha circa 25 masse solari. Dopo essere scomparsa dalla vista, ha lasciato solo un debole bagliore infrarosso. Nel 2009, la sua luminosità è aumentata fino a un milione di luminosità solari, ma entro il 2015 era scomparsa nella luce ottica.
Un’indagine con il Large Binocular Telescope ha monitorato 27 galassie vicine, alla ricerca di stelle massicce in via di scomparsa. I risultati suggeriscono che tra il 20 e il 30% delle stelle massicce possono concludere la loro vita come supernovae fallite. Tuttavia, M31-2014-DS1 e N6946-BH1 sono le uniche osservazioni confermate.
