Un gruppo di ricerca finlandese ha trovato prove evidenti della presenza di quark esotici all’interno dei nuclei delle più grandi stelle di neutroni esistenti. Questa conclusione è stata raggiunta combinando i risultati recenti delle particelle teoriche e della fisica nucleare alle misurazioni delle onde gravitazionali da collisioni di stelle di neutroni.
Tutta la materia normale che ci circonda è composta da atomi, i cui nuclei densi, che comprendono protoni e neutroni, sono circondati da elettroni carichi negativamente. Tuttavia, è noto che all’interno delle stelle di neutroni la materia atomica collassa in una materia nucleare immensamente densa in cui i neutroni e i protoni sono raggruppati così strettamente che l’intera stella può essere considerata un unico enorme nucleo.
Finora non era chiaro se la materia nucleare nei nuclei delle stelle di neutroni più massicce collassi in uno stato ancora più esotico chiamato materia di quark, in cui i nuclei stessi non esistono più. I ricercatori dell’Università di Helsinki ora affermano che la risposta a questa domanda è sì. I nuovi risultati sono stati pubblicati su Nature Physics.
Il gruppo di ricerca finlandese, per risolvere questa annosa questione, ha proposto un nuovo approccio al problema. Si sono resi conto che combinando i recenti risultati sullo stdio della teoria delle particelle e della fisica nucleare con le misurazioni astrofisiche, potrebbe essere possibile dedurre le caratteristiche e l’identità della materia che risiede nelle stelle di neutroni.
Il gruppo che ha effettuato lo studio, diretto da Aleksi Vuorinen del Dipartimento di Fisica dell’Università di Helsinki, comprende il dottorando Eemeli Annala, nonché i loro colleghi Tyler Gorda dell’Università della Virginia, Aleksi Kurkela del CERN e Joonas Nättilä della Columbia University.
Secondo lo studio, la materia che risiede all’interno dei nuclei delle stelle di neutroni stabili più massicce assomiglia molto più alla materia di quark che alla materia nucleare ordinaria. I calcoli indicano che in queste stelle, il diametro del nucleo identificato come materia di quark può superare la metà di quello dell’intera stella di neutroni. Tuttavia, Vuorinen sottolinea che ci sono ancora molte incertezze associate alla struttura esatta delle stelle di neutroni.
“Esiste ancora una piccola possibilità che tutte le stelle di neutroni siano composte da sola materia nucleare. Ciò che siamo riusciti a fare, tuttavia, è quantificare ciò che questo scenario richiederebbe”, spiega Vuorinen.
Onde Gravitazionali per la determinazione del raggio
Un fattore chiave che ha contribuito alle nuove scoperte è stato l’emergere di due recenti risultati nell’astrofisica osservativa: la misurazione delle onde gravitazionali da una fusione di stelle di neutroni e il rilevamento di stelle di neutroni molto massicce, con masse vicine a due masse solari.
Nell’autunno del 2017, gli osservatori LIGO e Virgo hanno rilevato, per la prima volta, onde gravitazionali generate dalla fusione di due stelle di neutroni.
Questa osservazione ha fissato un limite superiore rigoroso per una quantità chiamata deformabilità delle maree. Questo risultato è stato successivamente utilizzato per derivare un limite superiore per il raggio delle stelle di neutroni in collisione, che si è rivelato essere di circa 13 km.
Allo stesso modo, mentre la prima osservazione di una stella di neutroni risale al 1967, misurazioni di massa accurate di queste stelle sono state possibili solo negli ultimi 20 anni. La maggior parte delle stelle con masse accuratamente conosciute cadono all’interno di una finestra compresa tra 1 e 1,7 masse stellari, ma negli ultimi dieci anni sono state rilevate tre stelle che raggiungono o forse superano leggermente il limite di due masse solari.
