Rappresentazione d'artista di due stelle di neutroni che si fondono. Il reticolo dello spazio-tempo increspato rappresenta le onde gravitazionali che si propagano in seguito alla collisione. Sono visibili anche le esplosioni di raggi gamma che vengono sparate pochi secondi dopo le onde gravitazionali, e le nubi vorticose di materiale espulso dalle stelle in fusione. Credits: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Di recente un team di ricercatori di Darmstadt, Germania, e di Utrecht, Paesi Bassi, ha studiato la materia superdensa all’interno delle stelle di neutroni. Gli esperti hanno combinato le osservazioni dei rivelatori di onde gravitazionali e dei telescopi convenzionali con i dati sperimentali degli acceleratori di particelle.
I risultati della ricerca indicano che tante stelle di neutroni sperimentano al loro interno una pressione di degenerazione maggiore del previsto. Di conseguenza, alcune di esse hanno un raggio più grande di quanto ci si aspetterebbe. Questo risultato era stato precedentemente accennato dalle osservazioni dell’esperimento Neutron Star Interior Composition Explorer Mission (NICER) a bordo della ISS.
Le stelle di neutroni sono tra gli oggetti più estremi dell’Universo. Sono i nuclei di stelle esplose come supernovae e, nonostante misurino solo 20 chilometri di diametro, hanno una massa fino a 2,3 volte quella del nostro Sole. Al loro interno, la pressione è così forte che gli elettroni con carica negativa e i protoni con carica positiva vengono schiacciati insieme, formando un corpo composto quasi interamente da neutroni con carica neutra.
Il termine pressione di degenerazione indica l’incapacità di due particelle – in questo caso i neutroni – di abitare lo stesso livello energetico quando vengono schiacciate insieme. Quest’incapacità produce una pressione contraria verso l’esterno che impedisce alle stelle di neutroni di essere schiacciate ulteriormente. “A pressioni elevate, i neutroni vogliono stare più distanti tra loro” spiega Tsun Ho Pang, ricercatore dell’Università di Utrecht. “Questo da origine a una stella di neutroni più grande.”
Il team di ricercatori, guidato da Pang e dalla ricercatrice Sabrina Huth dell’Università di Darmstadt, ha costruito una serie di modelli di stelle di neutroni. Ognuno di essi prendeva in considerazione anche le osservazioni delle onde gravitazionali finora note, tra cui GW170817 rilevata da LIGO nel 2017.
In questi modelli, gli esperti hanno esaminato 15.000 possibili versioni dell’equazione di stato delle stelle. Essa descrive le proprietà della materia all’interno di una stella di neutroni e quindi ne determina il raggio, ma la sua forma finale non è ancora conosciuta.
Pang e Huth hanno anche sfruttato i risultati delle collisioni di ioni d’oro, accelerati quasi alla velocità della luce presso diversi acceleratori (tra cui il GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research di Darmstadt, il Lawrence Berkeley National Laboratory e il Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti). Queste collisioni avvengono ad alte temperature e basse densità, a differenza dello spazio, dove le temperature sono basse ma la densità di oggetti come le stelle di neutroni è alta.
“Poiché i dati delle collisioni di ioni pesanti utilizzati nella nostra analisi ci forniscono informazioni sulla regione di densità in cui la teoria nucleare e le osservazioni astrofisiche sono meno sensibili, ci forniscono un nuovo vincolo sull’equazione di stato” afferma Pang.
La combinazione di dati provenienti da collisioni e osservazioni astrofisiche sta iniziando a colmare il divario nella nostra comprensione della materia in ambienti estremi. In particolare, i risultati del nuovo studio contribuiscono a far comprendere agli scienziati cosa accade durante la fusione di due stelle di neutroni.
In questi eventi, due stelle di neutroni si avvicinano gradualmente spiraleggiando una intorno all’altra. Quando iniziano a fondersi, la gravità causa una deformazione dello spaziotempo che si manifesta con onde gravitazionali. Ciò che risulta, dipende dalla massa e dal raggio delle stelle di neutroni. Una stella di neutroni con un raggio maggiore sarà meno compatta e avrà una gravità più debole, il che può influenzare la quantità di detriti espulsi durante la fusione. Questi detriti incandescenti sono rilevabili come esplosione di kilonova.
La futura versione aggiornata di LIGO, Advanced LIGO, dovrebbe captare le onde gravitazionali di molte più fusioni binarie di stelle di neutroni, a livelli di sensibilità maggiori di quanto ora ci sia possibile. Inoltre, con il NICER che continua a fornire misure indipendenti dei raggi delle pulsar, gli astrofisici dovrebbero presto essere in grado di porre limiti ancora più forti all’equazione di stato delle stelle di neutroni. Così inizieremo a conoscere con maggior precisione il comportamento della materia nel nostro Universo.
La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, è disponibile qui.
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