Alcuni dei campi magnetici più potenti mai rilevati nell’Universo provengono dalle magnetar. Ora potremmo finalmente avere capito come si formano questi strani oggetti.

Simulazioni al computer ampie e complesse, dettagliate in un nuovo studio, mostrano che la collisione di due stelle può produrre una stella massiccia con un campo magnetico particolarmente forte. Quando questa grande stella muore esplodendo in una supernova, potrebbe diventare una stella di neutroni eccezionalmente magnetica, una magnetar.

Questa non è un’idea completamente nuova, ma ora ci sono alcune prove certe a supporto: la modellazione al computer applicata alla stella magnetica Tau Scorpii, situata a circa 500 anni luce dalla Terra e grande circa 15 volte la massa del nostro Sole.

“Fino ad ora, non siamo stati in grado di testare questa ipotesi perché non avevamo gli strumenti computazionali necessari“, afferma l’astrofisico Sebastian Ohlmann, della Max Planck Society in Germania.

Tau Scorpii era già stata identificata in passato come il probabile risultato di una fusione tra stelle e i ricercatori l’hanno considerata il candidato naturale sul quale effettuare le analisi attraverso il loro avanzato codice di simulazione dinamica AREPO.

Dopo aver analizzato i numeri, AREPO ha dimostrato che la notevole turbolenza della collisione di due stelle potrebbe alla fine condurre ai forti campi magnetici che vediamo intorno a una stella come Tau Scorpii.

Insomma, secondo i ricercatori quando queste massicce stelle magnetiche esplodono generando una supernova, il risultato finale potrebbe essere una magnetar. Tuttavia, le magnetar sono notoriamente difficili da individuare per gli astronomi, perché in alcuni casi le loro eruzioni di energia magnetica possono durare solo poche ore, prima che la loro attività si quieti.

“Si ritiene che le magnetar generino i campi magnetici più forti nell’Universo – fino a cento milioni di volte più forti del campo magnetico più forte mai prodotto dagli umani“, afferma l’astrofisico Friedrich Röpke, dell’Istituto di studi teorici di Heidelberg in Germania.

In generale, le fusioni stellari, fenomeni relativamente frequenti, si ritiene siano responsabili della formazione di circa il 10 percento delle stelle massicce della Via Lattea e, tra queste, il numero delle magnetar è di circa 1 su 10.

Un ulteriore suggerimento che questa ipotesi sia corretta viene dalla rarità di stelle magnetiche massicce nei sistemi binari, suggerendo che un certo tipo di fusione è già avvenuta in questi tipi di stelle.

Giungere a questa scoperta non è stato né facile né rapido: l’idea che alcune stelle massicce possano generare campi magnetici su larga scala vicino alle loro superfici è emersa nel 1947 ed è da allora che si cerca di comprendere questo fenomeno. I campi magnetici attorno alle stelle più piccole, come il nostro Sole, sono stati più facili da spiegare per gli scienziati.

Quel che è certo è che c’è ancora molto da scoprire su queste enormi stelle magnetiche e sulle magnetar ad alta resistenza in cui alcune di esse si sviluppano.

Fonte: Nature .

Prima di questo nuovo studio, gli astronomi sapevano che grandi quantità di gas entrano ed escono dalla Via Lattea, ma non conoscevano le quantità di gas in entrata rispetto a quello in uscita.

L’equilibrio tra questi due processi è importante perché regola la formazione di nuove generazioni di stelle e pianeti.

“Ci aspettavamo di trovare un equilibrio tra afflusso e deflusso di gas, ma 10 anni di dati all’ultravioletto raccolti da Hubble hanno dimostrato che nella Via Lattea entra più gas di quanto ne esce“, ha dichiarato l’autore principale Dr. Andrew Fox, astronomo dello Space Telescope Science Institute.

“Per ora, la fonte del gas in eccesso in eccesso rimane un mistero“.

“Una possibile spiegazione è che il nuovo gas potrebbe provenire dal mezzo intergalattico“.

Il Dr. Fox e i suoi colleghi hanno esaminato gli archivi di Hubble, analizzando oltre 200 osservazioni all’ultravioletto dell’alone diffuso che circonda il disco della nostra Galassia.

Il dettaglio dei dati ha fornito uno sguardo senza precedenti al flusso di gas attraverso la Via Lattea e hanno permesso il primo inventario di tutto il gas della galassia.

Poiché le nuvole di gas della Via Lattea sono invisibili, i ricercatori hanno usato la luce dei quasar sullo sfondo per rilevare queste nuvole e il loro movimento.

“Quando la luce del quasar raggiunge la Via Lattea, passa attraverso le nuvole invisibili“, hanno spiegato.

“Il gas tra le nuvole assorbe determinate frequenze di luce, lasciando impronte digitali rivelatrici nella luce del quasar“.

Il team ha individuato l’impronta digitale del silicio e l’ha usato per tracciare il gas attorno alla Via Lattea.

È possibile distinguere le nuvole di gas in uscita grazie allo spostamento Doppler della luce che le attraversa: le nuvole di gas in avvicinamento alla Via Lattea sono più blu e le nuvole in uscita sono più rosse.

“Studiare in dettaglio la nostra galassia fornisce la base per comprendere le galassie nell’universo e ci siamo resi conto che la nostra galassia è più complicata di quanto immaginassimo“, ha affermato il co-autore Dr. Philipp Richter, astronomo dell’Università di Potsdam.

“Studi futuri esploreranno la fonte del surplus di gas in entrata, nonché se altre grandi galassie si comportano in modo simile“.

I risultati saranno pubblicati sull’Astrophysical Journal.

Fonte: Andrew J. Fox et al . 2019. I tassi di afflusso e deflusso di massa della Via Lattea. ApJ , in corso di stampa; arXiv: 1909.05561

I ricercatori dell’Università del Maryland, del National Institute of Standards and Technology (NIST), del National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) e dell’Università di Oxford hanno osservato un raro fenomeno chiamato superconduttività rientrante nel ditelluride di uranio. La scoperta promuove la ditelluride di uranio come materiale promettente per l’uso nei computer quantistici.

Soprannominato “superconduttività di Lazzaro” dal personaggio biblico risorto dalla morte, il fenomeno si verifica quando sorge uno stato superconduttore si rompe, riemergendo poi in un materiale a causa di una modifica di un parametro specifico, in questo caso l’applicazione di un campo magnetico molto forte. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Physics.

Respinta in passato dai fisici per la sua apparente mancanza di interessanti proprietà fisiche, la ditelluride di uranio sta vivendo il suo momento Lazzaro. L’attuale studio è il secondo in altrettanti mesi (entrambi pubblicati da membri dello stesso gruppo di ricerca) che dimostrano stati di superconduttività insoliti e sorprendenti in questo materiale.

“Questo è un superconduttore scoperto di recente con una serie di altri comportamenti non convenzionali, quindi è già strano“, ha detto Nicholas Butch, assistente professore associato di fisica all’UMD e fisico presso il Centro NIST per la ricerca sui neutroni. “[La superconduttività di Lazzaro] ha quasi sicuramente qualcosa a che fare con la novità del materiale. C’è qualcosa di diverso in corso lì dentro“.

La ricerca precedente, pubblicata sulla rivista Science, descriveva il raro ed esotico stato fondamentale noto come superconduttività di spin-triplet nella ditelluride dell’uranio. La scoperta ha fatto pensare ai ricercatori che la ditelluride di uranio meritasse una seconda occhiata a causa delle sue insolite proprietà fisiche e del suo elevato potenziale di utilizzo nei computer quantistici.

“Questo è davvero un materiale straordinario e ci tiene molto impegnati“, ha dichiarato Johnpierre Paglione, professore di fisica all’UMD, direttore del Centro per la nanofisica e i materiali avanzati (CNAM; presto verrà ribattezzato Quantum Materials Center) e uno dei coautori del documento. “La ditelluride di uranio potrebbe benissimo diventare il superconduttore di spin-triplet da manuale che cerchiamo da decine di anni e probabilmente ha in serbo altre sorprese. Potrebbe essere il prossimo stronzio ruthenate, un altro superconduttore di spin-triplet proposto che è stato studiato per più di 25 anni“.

La superconduttività è uno stato in cui gli elettroni viaggiano attraverso un materiale con efficienza perfetta. Il rame – che è secondo solo all’argento in termini di capacità di condurre elettroni – perde circa il 20% di potenza sulle linee di trasmissione a lunga distanza, mentre gli elettroni si urtano all’interno del materiale durante il viaggio.

La superconduttività di Lazzaro è particolarmente strana, perché i forti campi magnetici di solito distruggono lo stato superconduttore nella stragrande maggioranza dei materiali. Nella ditelluride dell’uranio, tuttavia, un forte campo magnetico accoppiato a specifiche condizioni sperimentali ha provocato la superconduttività di Lazzaro non solo una volta, ma due volte.

Per Butch, Paglione e il loro team, la scoperta di questa rara forma di superconduttività nella ditelluride di uranio è stata fortuita; l’autore principale dello studio, il ricercatore associato del CNAM Sheng Ran, ha sintetizzato accidentalmente il cristallo mentre tentava di produrre un altro composto a base di uranio. Il team ha deciso di provare comunque alcuni esperimenti, anche se le precedenti ricerche sul composto non avevano prodotto nulla di insolito.

La curiosità della squadra è stata premiata più volte. Nel precedente articolo su Science, i ricercatori hanno riferito che la superconduttività della ditelluride di uranio comporta insolite configurazioni di elettroni chiamate triplette di spin, in cui le coppie di elettroni sono allineate nella stessa direzione. Nella stragrande maggioranza dei superconduttori, gli orientamenti – chiamati spin – degli elettroni accoppiati puntano in direzioni opposte. Queste coppie sono (in qualche modo controintuitivamente) chiamate singoletti. I campi magnetici possono interrompere facilmente gli accoppiamenti, uccidendo la superconduttività.

I superconduttori a triplo spin, tuttavia, possono resistere a campi magnetici molto più elevati. I primi risultati del team li hanno portati a NHMFL, dove una combinazione unica di magneti ad altissimo campo, strumentazione capace e competenza dei residenti ha permesso ai ricercatori di spingere ulteriormente la ditelluride dell’uranio.

In laboratorio, il team ha testato la ditelluride di uranio in alcuni dei più alti campi magnetici disponibili. Esponendo il materiale a campi magnetici fino a 65 tesla – oltre 30 volte la forza di un tipico magnete per risonanza magnetica – il team ha tentato di trovare il limite superiore al quale i campi magnetici bloccavano la superconduttività del materiale. Butch e il suo team hanno anche sperimentato l’orientamento del cristallo di ditelluride di uranio a diversi angoli in relazione alla direzione del campo magnetico.

A circa 16 tesla, lo stato superconduttore del materiale è cambiato bruscamente. Mentre è morto nella maggior parte degli esperimenti, ha persistito quando il cristallo è stato allineato con un angolo molto specifico in relazione al campo magnetico. Questo comportamento insolito è continuato fino a circa 35 tesla, a quel punto tutta la superconduttività è svanita e gli elettroni cambiato il loro allineamento, entrando in una nuova fase magnetica.

Mentre i ricercatori aumentavano il campo magnetico e continuavano a sperimentare gli angoli, hanno scoperto che un diverso orientamento del cristallo produceva una nuova fase superconduttiva che è persistita fino ad almeno 65 tesla, la massima intensità di campo testata dal team. È stata una prestazione da record per un superconduttore e ha segnato la prima volta che sono state trovate due fasi di superconduttori indotte sul campo nello stesso composto.

Butch ha affermato che le prove indicano un fenomeno fondamentalmente diverso da qualsiasi cosa gli scienziati abbiano visto fino ad oggi.

“Sto per uscire con un articolo in cui spiego che questo è probabilmente diverso – quantomicamente meccanicamente diverso – dagli altri superconduttori che conosciamo“, ha detto Butch. “Penso che ci vorrà del tempo per capire cosa sta succedendo“.

Oltre alla sua fisica che sfida le convenzioni, la ditelluride di uranio mostra tutti i segni di essere un superconduttore topologico, come lo sono altri superconduttori a tripla spin, ha aggiunto Butch. Le sue proprietà topologiche suggeriscono che potrebbe essere un componente particolarmente preciso e robusto nei computer quantistici del futuro.

“La scoperta della superconduttività di Lazzaro in campi magnetici da record è una delle scoperte più importanti che emergono da questo laboratorio nei suoi 25 anni di storia“, ha dichiarato il direttore della NHMFL Greg Boebinger. “Non sarei sorpreso se svelare i misteri della ditelluride dell’uranio porti a manifestazioni ancora più strane di superconduttività in futuro“.

Fonte: Phys.org