Quando il cosmo si scatena: i fenomeni più estremi dell'universo

Osservate una sera il cielo stellato, in campagna o in montagna, lontano dalle luci dei paesi. Le stelle stanno ferme. La Via Lattea attraversa il cielo da un orizzonte all'altro, e tutto sembra immobile, silenzioso, definitivo. È l'impressione che l'umanità si è portata dietro per millenni, e non è colpa di nessuno se è sbagliata: semplicemente, siamo troppo lontani. Perché lassù, in questo momento, mentre voi guardate, stelle vengono fatte a pezzi, materia precipita dentro buchi neri, campi magnetici così intensi da deformare gli atomi si spezzano come una crosta di ghiaccio. Sono i fenomeni estremi dell'universo. Ed è dentro quelle fornaci che sono stati costruiti gli atomi pesanti di cui siamo fatti.

Lampi di raggi gamma e kilonove: la nascita degli elementi pesanti

Cominciamo dagli eventi più energetici che conosciamo: i lampi di raggi gamma, i GRB. In pochi secondi liberano più energia di quanta il Sole ne produrrà in tutta la sua esistenza. Un numero che vale la pena maneggiare con cura, però, perché quell'energia non si irradia in tutte le direzioni: è concentrata in due fasci strettissimi. È la differenza fra un faro e una lampadina. La lampadina illumina tutta la stanza; il faro manda tutto da una parte sola, e da lontano sembra enormemente più potente.

Li abbiamo scoperti per sbaglio. Negli anni Sessanta gli americani avevano messo in orbita i satelliti Vela per sorvegliare eventuali test nucleari sovietici, e questi satelliti cominciarono a registrare lampi di raggi gamma che non venivano dalla Terra. Venivano da fuori, molto da fuori.

Oggi sappiamo che si presentano in due forme. Quelli lunghi, che durano più di due secondi, nascono dal collasso di stelle molto massicce che a fine vita esplodono in supernova, lasciando dietro di sé un buco nero, o forse in certi casi una magnetar. Quelli corti raccontano una storia diversa: la fusione di due stelle di neutroni.

Fermiamoci un momento su cosa sia una stella di neutroni, perché è il punto in cui l'intuizione si arrende. Immaginate una zolletta di zucchero. Ora immaginate che sia fatta di materia di stella di neutroni: peserebbe miliardi di tonnellate. È quello che resta del nucleo di una stella molto massiccia dopo che è esplosa: una sfera di venti chilometri di diametro — la distanza fra il centro di Milano e Rho — che contiene più massa del Sole.

Quando due di questi oggetti si trovano in orbita l'uno attorno all'altro, la danza è destinata a finire male. Si avvicinano, girano sempre più in fretta, e alla fine si fondono. E da quella fusione escono due cose diverse, che conviene tenere separate.

La prima è il lampo gamma: brevissimo, violentissimo, sparato in due getti. La seconda è meno appariscente e molto più interessante. Nello scontro, parte della materia delle due stelle viene scagliata nello spazio. In quella nube la densità di neutroni è tale che i nuclei atomici se li incollano addosso a raffica, e in pochi istanti si costruiscono gli elementi pesanti. Sono nuclei instabili: decadono, e il calore del decadimento accende un bagliore che dura giorni. Questo bagliore si chiama kilonova.

Non è più potente del lampo gamma. Anzi, in confronto è modesta. Ma è la kilonova a parlare, perché nella sua luce si legge la composizione di quello che è appena stato fabbricato.

Ed è esattamente così che la questione si è chiusa. Il 17 agosto 2017 i rivelatori LIGO e Virgo registrarono le onde gravitazionali di due stelle di neutroni che si fondevano, un evento battezzato GW170817. I telescopi di tutto il mondo puntarono quella regione di cielo e videro la kilonova. Nella sua luce c'erano le firme di materiale sintetizzato in quel momento: oro, platino. Per la prima volta abbiamo assistito in diretta alla produzione dei metalli preziosi.

Magnetar: quando si spezza la crosta di una stella

Alcune stelle di neutroni hanno una particolarità. Possiedono i campi magnetici più intensi dell'universo: mille miliardi di volte quello terrestre. Si chiamano magnetar.

Per capire cosa significhi, il paragone che gli astronomi usano di solito è questo: se una magnetar si trovasse a metà strada fra la Terra e la Luna — circa centonovantamila chilometri — cancellerebbe la banda magnetica di tutte le carte di credito del pianeta. E un campo del genere non si limita a cancellare le carte: deforma gli atomi, li schiaccia lungo la direzione delle linee di forza, li allunga come sigari.

Un campo così intenso mette la stella sotto tensione. Ogni tanto la crosta cede, si spezza, e quello che segue è un brillamento — un flare di raggi gamma e X. Nei casi più violenti il picco iniziale dura una frazione di secondo, ma in quell'istante il lampo emette più energia di quanta ne produca l'intera galassia che ospita la stella. Poi resta una coda che si smorza nell'arco di alcuni minuti. Sono eventi rari: nella nostra galassia ne abbiamo osservati pochissimi in mezzo secolo.

Quasar: cento miliardi di stelle in uno spazio piccolo

Saliamo di scala. I quasar sono il nucleo di una galassia attiva, il punto in cui un buco nero supermassiccio sta divorando la materia che gli sta intorno. E brillano più di tutta la galassia che li ospita: più di cento miliardi di stelle messe insieme.

Ma il dato interessante è un altro. Tutta questa luce esce da una regione grande all'incirca come il nostro Sistema Solare. Mettete le due cose una accanto all'altra: cento miliardi di stelle, sparse su centomila anni luce, e un solo oggetto largo pochi miliardi di chilometri che le batte tutte. È come se una lampadina in una stanza illuminasse più di tutti i lampioni di una città.

Il meccanismo è questo: prima di cadere nel buco nero, la materia non ci va dritta. Gira, si dispone in un disco, e nel girare si scalda per attrito fino a temperature altissime. È il disco che brilla, non il buco nero, che per definizione non emette nulla. In certi casi da questi dischi si sprigionano getti relativistici — fasci di particelle accelerate a velocità vicine a quella della luce — che si estendono per milioni di anni luce e influenzano l'evoluzione delle galassie vicine.

Spaghettificazione: come si smonta una stella

Resta il caso più drammatico. Una stella che passa troppo vicino a un buco nero supermassiccio.

Il problema non è la gravità in sé, è la differenza. Il lato della stella rivolto verso il buco nero viene tirato più forte del lato opposto, semplicemente perché è più vicino. Finché la differenza è piccola, la stella tiene botta: la sua gravità interna la mantiene compatta. Ma sotto una certa distanza la differenza vince, e la stella non regge più.

Il risultato ha un nome che gli astronomi usano seriamente, per quanto suoni buffo: spaghettificazione. La stella viene sfilacciata in un filamento lungo e sottile, come pasta tirata a mano, e in parte inghiottita.

Qui c'è l'aspetto utile della faccenda. Un buco nero supermassiccio che non sta mangiando nulla è invisibile: non emette luce, non si vede in nessuna banda, sta lì e basta. Ma quando fa a pezzi una stella, il gas strappato si scalda e produce un bagliore di raggi X e ultravioletti che dura mesi. Per quei mesi il buco nero si rivela. Gli eventi di distruzione mareale sono, di fatto, l'unico modo che abbiamo per scoprire buchi neri che altrimenti resterebbero in silenzio per sempre.

Perché ce ne occupiamo

Il cosmo sembra tranquillo per una ragione molto semplice: lo guardiamo da lontanissimo, e per un tempo brevissimo. In una vita umana il cielo non cambia; le stelle che vedete stanotte sono le stesse che vedeva vostro nonno, nelle stesse posizioni.

Ma l'oro di un anello è arrivato fin qui perché due stelle di neutroni si sono scontrate, molto tempo fa e molto lontano. Il ferro del sangue viene da una supernova. Studiare i fenomeni estremi non è curiosità per l'insolito, per il record, per il numero grosso. È il modo che abbiamo per capire da dove veniamo.