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Le conoscenzedi fisica stel-

lare sono, ora-mai, abbastan-za consolida-te. È noto chele stelle conuna massa dicirca 5-10 mas-se solari, esau-rito il loro combu-stibile nucleare, ter-minano la loro vitaespellendo gli strati piùesterni nello spazio, origi-nando una gigantesca esplo-sione detta supernova, che lasciacome residuo una stella di neutroni, unoggetto compatto con una massa pari acirca una volta e mezza quella solare, con-centrata però in un raggio di soli 10-20km. Una stella di neutroni rappresentaquello che resta quando una stella digrossa massa collassa su sé stessa; laforza di gravità prevale su quella elettro-nica che tiene separati gli atomi gli unidagli altri e li comprime al punto tale chegli elettroni si trovano così vicini ai protonida fondersi con essi originando neutroni. A

Pulsar doppia:l’apoteosi dellaRelativitàdi Andrea Simoncelli

questopunto la stel-la, costituita da solineutroni, ha una densità dicirca un miliardo di tonnellate percentimetro cubo, un valore paragonabile aquello dei nuclei degli atomi. Per il principiodi conservazione del momento angolare, lostesso che consente ad un pattinatore di

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sate, e solo in seguito furono rilevateanche nell’ottico, nei raggi X e gamma.L’emissione periodica viene ben spiegatada quello che gli astronomi chiamano “ef-fetto faro”. Essi ritengono che l’emissione,confinata entro un piccolo cono, sia origi-nata come radiazione di sincrotrone, do-vuta agli elettroni proiettati via dall’astrolungo le direzioni dei poli magnetici. Se le

direzioni degli assi di rotazione e ma-gnetico sono tali per cui, nel corso

della rotazione, il fascio conicopunta nella direzione della

Terra, un osservatore vie-ne investito periodica-mente, per una brevefrazione del periodo,da un flusso di radia-zione, che subitodopo si attenua finoa sparire. In talmodo si genera unsegnale periodico,

proprio come quelloemesso da un faro e

osservato da una nave inmare. Dalla scoperta della

prima pulsar, avvenuta nel1967, gli astrofisici ne hanno ri-

velate oltre un migliaio, la maggiorparte delle quali sono localizzate nella

nostra galassia, e solo alcune in altre ga-lassie.Di pulsar ve ne sono di molto veloci (un

Scoperta nel 2003, la PSR J0737-3039, meglio conosciutacome pulsar doppia, sta permettendo agli astrofisici di

ottenere straordinarie conferme della teoria dellaRelatività Generale di Einstein. Vediamo lo stato dell’arte

della ricerca su questo affascinante oggetto celeste.

Il radiotelescopio di Parkes si trova nelNuovo Galles del Sud, in Australia, a circa400 km da Sydney. Si tratta di un parabo-loide di 64 m di diametro e viene utilizzatosia da un gruppo di ricerca italiano sia daipartner internazionali. [ATNF/CSIRO]

accelerare la sua piroetta avvicinando lebraccia al corpo, la stella collassata,

avendo ridotto il proprio raggio,possiede un periodo di ro-

tazione velocissi-mo. Le stel-

le di

neutro-ni in rapida

rotazione e dotatedi un intenso campo ma-

gnetico sono denominate pulsar(acronimo di pulsating radio sources, ov-vero radiosorgenti pulsanti).Le pulsar vennero inizialmente scoperteproprio come sorgenti di onde radio pul-

impulso ogni pochi millesimi di secondo),ma anche di “molto lente” (un impulsoogni 5-10 s), alcune sono isolate e altreappartengono a sistemi binari.

Nel 2003, un team internazionale di astro-fisici, tra i quali Marta Burgay, Nichi D’Ami-co e Andrea Possenti, del Gruppo Pulsardell’INAF-Osservatorio di Cagliari, firma-rono la scoperta, riportata sulla rivista in-ternazionale Nature (M. Burgay et al.,426, 531; 2003), dell’oggetto PSR J0737-3039, meglio conosciuto come la “pulsardoppia”, poiché è l’unico sistema noto for-mato da due pulsar. In realtà, all’inizio i ri-cercatori stessi presentarono la scopertacome un sistema doppio degenere formatoda una stella di neutroni pulsante e da uncompagno silente, ma dopo qualche mesesi resero conto che si trattava in realtà didue pulsar, presentando la scoperta allacomunità scientifica con un secondo arti-colo apparso sulla rivista Science (A.G.Lyne et al., 303, 1153L; 2004). La sco-perta del primo sistema formato da duepulsar in mutua rivoluzione è stata possi-bile grazie alle osservazioni effettuate colradiotelescopio australiano (di 64 m) diParkes, e in seguito confermate con ilGreen Bank Telescope (di 100 m) uno deipiù grandi radiotelescopi al mondo.

Realizzato dal National Radio AstronomyObservatory (NRAO), il GBT è situato nelWest Virginia (USA), in una zona denomi-nata Quiet Zone, nella quale le interfe-

renze radio, che ri-sulterebbero dan-nose per il parabo-loide, sono mini-mizzate.Per aver contri-buito alla scopertadella pulsar dop-pia, la giovane ri-cercatrice Burgay,insieme ai membridel gruppo inter-nazionale PulSE(da Pulsar Science

in Europe), ot-tenne nel gen-naio 2006 ilprestigioso Pre-mio Descartes 2005, il massimo riconosci-mento europeo per la ricerca scientifica.La pulsar doppia è situata nella costella-zione australe della Poppa, ad una distanzadi circa 1800 anni luce da noi. La primadelle due pulsar scoperte nel sistema,detta pulsar A, possiede un periodo di ro-tazione di 23 millisecondi, mentre l’altra,denominata pulsar B, ha un periodo sen-sibilmente più lungo, pari a 2,7 s; la di-stanza tra le due pulsar è di circa 850 000km ed esse orbitano una attorno all’altrain 2,4 h. Sin dalla scoperta, la comunitàscientifica internazionale si è mostratamolto interessata all’oggetto, e ne è te-stimonianza il fatto che il primo articolo èstato in assoluto il più citato della lette-ratura scientifica nel 2004. Il grande interesse degli astrofisici puòessere spiegato facilmente: nelle condi-zioni estreme presenti nel sistema dop-pio, gli effetti previsti dalla teoria della

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Una rappresentazione grafica del sistema dellapulsar doppia, l’unico sistema binario formato dadue pulsar in orbita una attorno all’altra, entrambevisibili dai radiotelescopi grazie al fascio di onderadio che emettono con estrema regolarità. Lapulsar A è rappresentata come un pallino giallo,mentre la pulsar B è identificata dal pallino rossocircondato da un’ampia struttura bluastra, a formadi ciambella, che rappresenta la sua magneto-sfera. [Rene Breton, McGill University]

Grazie all’estrema regolarità del loro pe-riodo di pulsazione, le pulsar possono es-sere considerate dei veri e propri orologicosmici e la scoperta della pulsar doppiaha permesso agli scienziati di disporre diun eccezionale laboratorio cosmico chepermette di effettuare misure su diversiparametri previsti dalla Relatività Gene-rale, grazie ai migliori ricevitori esistenti.In effetti, per diversi anni, i più grandi ra-diotelescopi del mondo, quali quello diParkes, di Lovell (nel Regno Unito) e ilGreen Bank Telescope, hanno tenuto leloro parabole orientate verso il sistemaPSR J0737-3039. Ad ogni “battito” delle due pulsar, è statopossibile restringere sempre di più il mar-gine d’errore che permette di stabilire sele variazioni di orbita e periodo seguanoo meno la teoria di Einstein anche in pre-senza di un campo gravitazionale straor-dinariamente intenso. Con queste osservazioni, i ricercatorihanno potuto misurare alcuni parametri

chiamati “post-kepleriani” re-lativi alla pulsar doppia, ov-vero:• l’avanzamento del peria-stro;• il redshift gravitazionale;• il “ritardo temporale diShapiro”; • il decadimento dell’orbita.

L’avanzamento del periastro rappre-senta il progressivo spostamento delpunto di minore distanza fra le orbite el-littiche delle due pulsar; questo valoreè stato misurato dopo soli sei giorni diosservazioni, grazie all’entità del feno-meno: nel caso di Mercurio, l’avanza-mento del periastro corrisponde a 43secondi d’arco al secolo, mentre nelcaso della pulsar doppia risulta di circa17 gradi all’anno!

Relatività Generale di Albert Einstein di-ventano molto marcati e si possono ve-dere in pochi anni. Quando si vuolepredire il moto di due stelle appartenentia un sistema doppio è solitamente suffi-ciente ricorrere alle leggi classiche dellagravità sviluppate da Isaac Newton. Talileggi però si dimostrano inadeguatequando le stelle in esame sono corpi eso-tici, come le stelle di neutroni, che hannoraggi dell’ordine delle decine di km e den-sità simili a quelle di un nucleo atomico.In questi casi è necessario ricorrere allaRelatività Generale, che certamente hauna formulazione matematica ben piùcomplessa rispetto alla teoria classica eche solo in pochi casi, tra i quali quellorappresentato da due stelle di neutroni inun sistema binario, presenta equazionidel moto risolvibili. Considerate le ridottedimensioni delle stelle, gli astronomi sonoin grado di modellizzare il sistema binariocon alta precisione come una coppia dicorpi puntiformi.

Le due stelle, inoltre, sono abbastanza vi-cine (la distanza è circa due volte quellache separa la Terra dalla Luna), le velocitàorbitali sono alte (maggiori di 300 km/s,ovvero 1/1000 della velocità della luce) el’azione dei campi gravitazionali è moltointensa.La combinazione di tutti questi fattori fasì che gli effetti relativistici, oltre a esserefacilmente calcolabili, diventano ancheparticolarmente intensi e quindi più facilida misurare.

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Immagine di fantasia delle due pulsar orbi-tanti attorno al comune centro di massa. Gliastri viaggiano attraverso lo spazio-tempo(qui rappresentato dalla griglia verde) resocurvo dalle loro stesse masse.[Michael Kramer, Jodrell Bank Observatory]

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Gli astronomi hanno misurato anche ilredshift gravitazionale, ovvero la dilata-zione della lunghezza d’onda degli im-pulsi; si tratta di un effetto previsto dallaRelatività Ristretta, che predice come iltempo segnato da un orologio in moto adalta velocità appaia scorrere più lenta-mente rispetto a quello segnato da un

orologio in quiete rispetto all’osservatore.Al periastro, le due pulsar si muovono piùrapidamente che non in altri punti dell’or-bita; un ipotetico osservatore solidale suuna delle pulsar-orologio, vedrebbe sem-pre lo stesso ritmo di emissione dei se-gnali. Un osservatore lontano, invece,osserverebbe il ritmo di emissione rallen-tato quando le due stelle sono più vicine. Un altro parametro che è stato misuratoè il “ritardo temporale di Shapiro” causatodalla deformazione dello spazio-temponei dintorni delle pulsar. Quando una delledue pulsar si trova lungo la linea di vistache congiunge il nostro pianeta con l’altrapulsar, la traiettoria delle onde radio pro-dotte da quest’ultima viene fortementedeflessa dal campo gravitazionale dellacompagna interposta. In pratica, la tra-iettoria si allunga e gli impulsi giungonoa Terra con un certo ritardo, detto ap-punto “di Shapiro” in omaggio allo scien-ziato Irwin Shapiro, che lo propose nel1964. Infine, è stato misurato il decadimento

dell’orbita, ovvero la progressiva diminu-zione della distanza tra le due pulsar, do-vuta all’emissione di onde gravitazionali.Il restringimento dell’orbita misurato neimesi successivi alla scoperta è pari a circa2,5 m/anno, un valore in linea con quantoprevisto dalla Relatività Generale. Graziealle equazioni di Einstein è possibile pre-

vedere che le duepulsar arriveranno,tra circa 85 milioni dianni, a contatto e sifonderanno in un bu-co nero. In un eventocosì catastrofico siavrà l’emissione dionde gravitazionaliestremamente ener-

getiche e del tipo rivelabile dai principalirivelatori attuali: l’italiano VIRGO, lo sta-tunitense LIGO e l’europeo GEO.I ricercatori hanno effettuato in tal modoquattro differenti test alla teoria della Re-latività Generale: senza ombra di dubbiosia Einstein sia la sua teoria ne sono uscitivittoriosi. Gli scienziati però, non ancoradel tutto soddisfatti, hanno continuato aosservare la pulsar doppia e ad analizzarei dati, convinti di poter ottenere ulterioriscoperte sensazionali. Ciascuna pulsaremette fasci di onde radio che sono regi-strati dai radiotelescopi presenti sul nostropianeta. Grazie al fortunato allineamentodel piano orbitale del sistema con la nostralinea di vista, a ogni orbita si osservaun’eclisse causata dal passaggio della pul-sar A dietro alla pulsar B; il fenomeno sideve alla magnetosfera della pulsar B, unaregione nella quale una nube di plasma èintrappolata dal campo magnetico dellapulsar stessa. L’eclisse permette di deter-minare l’orientamento della pulsar B, inquanto i cambiamenti nella geometria del

Da sinistra, il dott.Andrea Possenti, ilprof. Nichi D’Amicoe la dott.ssa MartaBurgay del gruppoPulsar di Cagliari.[INAF]

Il Green BankTelescope è

stato a lungoutilizzato dai

radioastro-nomi cagliari-

tani perraccogliere

preziosi datisulla pulsar

doppia. Que-sto radiotele-

scopio è ilsecondo più

grande almondo dopoquello di Are-cibo. [NRAO]

sistema cambiano il modo in cui la radia-zione emessa dall’altra pulsar giunge a unosservatore terrestre durante l’eclisse.Grazie all’analisi della scomparsa dell’im-pulso della pulsar A, i ricercatori hanno mi-surato la precessione geodetica, meglionota come il “moto a trottola relativistico”,della pulsar B. Anche le leggi che descri-vono questo moto sono una conseguenzadella Relatività Generale; recentementeera stato osservato nei giroscopi, speciali“trottole” poste in orbita attorno alla Terra.Nell’estate del 2008, un gruppo internazio-nale di astrofisici, tra i quali i già citati ra-dioastronomi del Gruppo Pulsar, lo hanotato nella pulsar doppia, dove l’effetto ècirca 2800 volte più ampio di quello misu-rato vicino al nostro pianeta. Il lavoro rappresenta la prima confermasperimentale che la precessione geodeticasi manifesta esattamente al ritmo previstodalla Relatività Generale anchenelle vicinanze di og-getti celesti

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La scoperta delle pulsar

La prima pulsar fu scoperta da Jocelyn Bell Burnell, dottoranda presso l’Universitàdi Cambridge, e dal suo supervisore di tesi Anthony Hewish nel 1967, durante unesperimento sulla scintillazione prodotta dal mezzo interplanetario sulle radiosor-genti extragalattiche. Questo oggetto mostrava impulsi regolari con un periododi circa 1,377 s e una durata di qualche centesimo di secondo. A causa del-l’estrema regolarità del segnale, all’inizio fu ipotizzato che il segnale rappresen-tasse il tentativo di comunicazione di una civiltà aliena e l’oggetto fu chiamatoLGM1 (Little Green Men 1). Ben presto, però, Hewish e la Bell abbandonarono l’ipo-tesi del segnale artificiale perché registrarono altri segnali simili in zone diverse delcielo e perché non trovarono un’evidenza di un moto orbitale dell’oggetto emit-tente, che invece ci si aspetterebbe se si fosse trattato di un messaggio inviato daun pianeta extraterrestre che orbita attorno alla sua stella.La scoperta mise in subbuglio la comunità scientifica, che si divise fra quanti cre-devano potesse trattarsi di un nuovo fenomeno legato alle nane bianche e chipensava che l’origine delle pulsar fosse da ricercare nelle stelle di neutroni, la cuiesistenza era stata prevista su basi teoriche fin dal 1932, ma non era mai stata con-fermata con le osservazioni. L’evidenza definitiva che le pulsar sono proprio stelledi neutroni si ebbe con la scoperta della pulsar nella Nebulosa Granchio (M1), unresiduo di supernova che Franco Pacini aveva teorizzato potesse essere alimen-tato dalla presenza di una stella di neutroni dotata di un intenso campo magne-tico e in rapida rotazione. Inoltre, il breve periodo di ripetizione (33 millesimi disecondo) della pulsar di M1 escludeva che potesse trattarsi di una nana bianca:a tali regimi rotazionali, infatti, l’astro sarebbe distrutto dalla forza centrifuga cheverrebbe a prevalere su quella di gravità. L’annuncio della scoperta della primapulsar, da allora denominata con la sigla PSR 1919+21, fu dato da Hewish nel feb-braio 1968 in un articolo apparso su Nature, incui venivano descritte le caratteristiche fisichedella pulsar. La scoperta di questi astri fu cosìimportante che valse a Hewish e al radioastro-nomo Martin Ryle (che mise a punto il radiote-lescopio utilizzato per identificarli) il premioNobel per la Fisica nel 1974. Jocelyn Bell non funé insignita del premio (ricevette invece, in-sieme ad Hewish, la medaglia Michelson nel1973) né citata durante il discorso di assegna-zione, cosa che suscitò molte polemiche all’in-terno della comunità scientifica.

Una straordinaria immagine della NebulosaGranchio (M1) ottenuta con il VLT. È il residuo

della supernova del 1054, registrata dagli astro-nomi cinesi e arabi dell’epoca. Al centro della

nebulosa si trova la pulsar PSR B0531+21 sco-perta nel 1968: fu la prima osservazione di

un’associazione tra pulsar e residuo di super-nova, una scoperta importante per l’interpreta-

zione delle pulsar come stelle di neutroni. [ESO]

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dotati di grande massa: le due pulsarhanno, infatti, una massa totale di circa900 000 volte quella della Terra. Anche inquesto caso una grande vittoria delloscienziato tedesco.La scoperta è apparsa sulla rivista Science(R.P. Breton et al., 321, 5885, 104; 2008)e si basa su quattro anni di osservazionicondotte utilizzando il GBT.Secondo la fisica newtoniana, l’inclinazionedell’asse di rotazione di una stella che or-bita attorno a una compagna dovrebbe ri-manere immutata rispetto alle stelle disfondo. Per poter spiegare il moto osser-vato bisogna invece considerare che lospazio-tempo non è piatto, bensì resocurvo dalla massa dei corpi celesti. In que-sto modo, l’asse di rotazione della pulsarB, mentre è in rotazione attorno alla pulsarA, subisce un lieve e ciclico cambiamentod’inclinazione, con un periodo di circa 70anni. La conseguenza è un’oscillazione “atrottola” simile al movimento che coinvolgel’asse di rotazione del nostro pianeta e chedescrive un moto conico con un periodo diquasi 26000 anni; fra le conseguenze cisono lo spostamento del Polo Nord Celestee la precessione degli equinozi.Nel caso della pulsar doppia però, la causaè completamente differente: mentre per laTerra la fisica di Newton è sufficiente perspiegare il fenomeno, per la pulsar doppiaè necessario considerare la curvatura dellospazio-tempo. La PSR J0737-3039 continua ad attirarel’attenzione della comunità scientifica e a

far sognare gli astrofisici. Nel giro di pochianni, infatti, ha permesso di ottenere ot-timi risultati, superiori a quelli di qualsiasialtra pulsar nota (compresa la PSR1913+16, che nel 1993 permise a R.A.Hulse e a J.H. Taylor di vincere il premioNobel per la fisica – si veda l’Astrofilo 4

19), e le aspettative per i prossimi annisono alte. Quella più grande è che l’osser-vazione prolungata di questo sistema bi-nario permetta di comprendere il com-portamento della materia nelle stelle dineutroni. Gli scienziati, infatti, non dispon-gono di nessun laboratorio terrestre ingrado di riprodurre condizioni di densitàcosì estreme. La pulsar doppia potrebbequindi in futuro riservarci ancora delle pia-cevoli sorprese e prestigiosi riconoscimen-ti per i radioastronomi italiani, attivissiminello studio di questo affascinante oggettocosmico.

L’autore ringrazia Marta Burgay per la disponibilitàdimostrata durante la stesura dell’articolo.

La dott.ssa Marta Bur-gay durante una visita al

radiotelescopio di Are-cibo, Puerto Rico. La

giovane ricercatrice havinto diversi premi, tra iquali il Premio Tacchini

2005 per la tesi di dotto-rato e nel 2006 la primaedizione del premio in-

ternazionale “YoungScientists Prize in Astro-

physics” per il suo con-tributo alla scopertadella pulsar doppia.

Andrea Simoncelli, nato a Ortona nel 1978, abitaa Vasto. Nel 2002 ha conseguito la laurea inastronomia presso l’Università degli Studi di Bo-logna, occupandosi della controparte ottica e in-frarossa del GRB020405. In seguito ha trascorsoun periodo di ricerca presso l’OsservatorioAstronomico di Brera-Merate. Nel 2007 ha otte-nuto l’abilitazione all’insegnamento presso l’Uni-versità di Modena. Attualmente insegna scienzematematiche nella scuola secondaria di primogrado e si occupa di divulgazione scientifica.