Pulsar: La stella di 30 chilometri che ruota centinaia di volte al secondo

Un pulsar può avere una larghezza non superiore a 30 chilometri, eppure ruota sul suo asse centinaia di volte ogni secondo, lanciando un fascio di onde radio – e, meno frequentemente, radiazioni ad energia superiore come i raggi X. Poiché questo fascio raggiunge la Terra solo quando casualmente la colpisce, i radiotelescopi lo registrano come un impulso rapido e regolare piuttosto che come un bagliore costante, ed è da qui che proviene il nome.

Gli astronomi hanno ora catalogato più di 2.600 di questi oggetti, la maggior parte all'interno della Via Lattea. Lungi dall'essere una curiosità, quel catalogo è diventato un toolkit scientifico operativo: i ricercatori usano i pulsar per cercare le onde gravitazionali a bassa frequenza, tracciare la struttura della galassia e testare la teoria generale della relatività di Einstein in condizioni che nessun laboratorio sulla Terra potrebbe mai ricreate.

Quello che segue è la storia di come i pulsar sono stati scoperti, i strani record che alcuni di loro detengono e cosa i decenni di osservazione hanno insegnato ai fisici sulla gravità stessa.

Nel 1967, Jocelyn Bell Burnell trovò i primi pulsar radio mentre stava ancora lavorando al suo dottorato. Non stava scansionando uno schermo per il segnale – la sua apparecchiatura di tracciamento produceva più di 30 metri di registrazioni grafiche su carta ogni singolo giorno, e gli strani e costanti impulsi dovevano essere individuati a occhio nudo tra il rumore.

Questo tipo di pazienti e manuali setacciamento dei dati è facile da dimenticare una volta che una scoperta diventa fisica di manuale, ma è esattamente come un segnale inspiegabile si è trasformato in una classe di stelle completamente nuova.

Nel 1974, Antony Hewish e Martin Ryle divennero i primi astronomi mai premiati con il Premio Nobel per la Fisica, onorati in parte per il ruolo decisivo di Hewish nell'illuminare i pulsar. Rimane uno dei premi Nobel più dibattuti in astronomia, perché la scoperta che lo ha reso possibile era quella di Bell Burnell: la sua scoperta ha meritato lo stesso Premio Nobel per la Fisica del 1974, eppure lei stessa non è stata nominata tra i destinatari.

L'episodio è diventato un punto di riferimento standard nelle conversazioni sul credito nella scienza – non perché qualcuno dubiti di quello che ha trovato, ma per il fatto di chi la commissione del Premio Nobel ha scelto di premiare per averlo trovato.

Non tutti i pulsar si siedono tranquillamente nello spazio vuoto. Il Pulsar del Granchio occupa il centro della Nebulosa del Granchio, il relitto di una supernova che gli osservatori sulla Terra videro brillare nel 1054 – secoli prima che qualcuno capisse cosa stessero vedendo.

Il Pulsar del Granchio stesso è grande circa 20 chilometri, abbastanza piccolo da stare dentro una città di medie dimensioni, e completa una rotazione completa ogni 33.392 millisecondi. Questo si traduce nei suoi fasci che spazzano un osservatore 29.946 volte ogni secondo – abbastanza veloce che la nebulosa intorno ad essa si illumina e sfarfalla in sincronia con la rotazione.

I pulsar ordinari sono già veloci, ma una classe separata porta l'idea molto più in là. PSR B1937+21 ha un titolo storico: scoperto nel 1982, è stato il primo pulsar al millisecondo mai identificato, e ruota a circa 641 rotazioni al secondo. Quasi mezzo secolo dopo, rimane ancora il secondo più veloce tra i circa 200 pulsar al millisecondo ora conosciuti – un promemoria di quanto estremi questi oggetti possono diventare.

I pulsar si sono rivelati nascondere un'altra sorpresa: pianeti. Nel 1992, Aleksander Wolszczan trovò i primi pianeti extrasolar mai confermati, orbitando attorno al pulsar PSR B1257+12 – anni prima che chiunque rilevasse un pianeta attorno a una stella normale, simile al sole.

Uno dei pianeti di quel sistema, catalogato come PSR B1257+12 b, è notevolmente piccolo: la sua massa è appena inferiore al doppio di quella della Luna, rendendolo ancora l'oggetto confermato meno massiccio mai trovato al di là del Sistema Solare. Trovare un pianeta attorno a un pulsar era già sorprendente; trovarne uno così leggero era quasi accidentale.

Lo stesso anno in cui Hewish e Ryle riscossero il loro Premio Nobel, i fisici Joseph Hooton Taylor Jr. e Russell Hulse avevano già trovato qualcosa di forse altrettanto importante, nel 1974: il primo pulsar conosciuto che orbita attorno a un'altra stella, designato PSR B1913+16. Poiché gli impulsi di un pulsar arrivano con regolarità di orologeria, il loro timing ha permesso ai fisici di misurare quel sistema binario con straordinaria precisione.

Decenni di quel timing hanno prodotto stime di massa di 1,4398 masse solari per il pulsar e 1,3886 masse solari per il suo compagno – cifre abbastanza precise da rilevare una sottile previsione della relatività generale. Il periodo orbitale della coppia si sta riducendo di 0,997 volte il tasso che lo smorzamento della radiazione gravitazionale della relatività predice, circa il più stretto accordo tra teoria e osservazione che si possa ottenere in astrofisica.

Quasi ogni pulsar conosciuto è quello che gli astronomi chiamano un pulsar di stella di neutroni – ma non tutti. Nel sistema binario AR Scorpii, la luce pulsante non proviene da una stella di neutroni ma da una nana bianca: un residuo stellare altamente magnetizzato, con una forza di campo fino a 500 MG, la cui riduzione di spin alimenta gli impulsi nello stesso modo di una stella di neutroni.

Questo rende AR Scorpii il primo esempio confermato di un pulsar di nana bianca, allargando la definizione di "pulsar" ben al di là del tipo di oggetto che le ha dato il nome in primo luogo.

La ricerca di più pulsar continua a diventare più capace. Il radiotelescopio di Parkes dell'Australia ha effettuato la sua prima osservazione di pulsar nel 1968 ed è da allora diventato un'icona nazionale, apparendo insieme a un'immagine di pulsar sulla prima banconota australiana da 50 dollari. Più recentemente, il radiotelescopio FAST della Cina – il suo nome completo è il Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – è diventato uno degli strumenti più potenti che ora scansionano il cielo alla ricerca di nuovi pulsar.

Tra i piatti sensibili e i decenni di pazienti dati di timing, la scienza dei pulsar non mostra segni di rallentamento; gli oggetti che hanno iniziato come un modello inspiegabile su un rotolo di carta grafica sono diventati uno degli strumenti più produttivi dell'astrofisica.

• Phys.org: Fifty years ago, Jocelyn Bell discovered pulsars and changed our view of the universe
• arXiv: Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16
• arXiv: Polarimetric evidence of a white dwarf pulsar in the binary system AR Scorpii
• Wikipedia: Pulsar
• Wikipedia: Jocelyn Bell Burnell
• Wikipedia: Crab Pulsar
• Wikipedia: Millisecond pulsar