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Pasta nucleare e stelle di neutroni

Il meccanismo del raffreddamento delle stelle di neutroni sarebbe dovuto al coinvolgimento di uno stato particolare della materia, che gli scienziati definiscono pasta nucleare

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Le stelle di neutroni sono dei nuclei caldi e vorticosi di materia esotica, derivanti da supernovae, che necessitano di tempi dell’ordine degli eoni per raffreddarsi. Le ultime ricerche sulle stelle di neutroni inducono a pensare che questo raffreddamento avvenga grazie alla presenza di una “nuova” forma di materia, che gli scienziati chiamano pasta nucleare.

Le stelle di neutroni, corpi stellari ultradensi, si raffreddano rilasciando delle particelle eteree, i neutrini. Il nuovo studio mostra che questo raffreddamento avviene grazie a un tipo di materia intermedio, denominato pasta nucleare, un materiale increspato e arrotolato, all’interno del quale quasi tutti gli atomi si mescolano insieme. Questa struttura di pasta nucleare crea, all’interno delle stelle, delle regioni di bassa densità, permettendo ai neutrini e al calore, di fuoriuscire.

Una piccola quantità di materia, estratta dalla superficie di una stella di neutroni, peserebbe miliardi di tonnellate, e avrebbe una densità tale da trattenere meglio il calore. E mentre il nostro Sole, che è considerato una nana gialla, rilascia la maggior parte del suo calore sotto forma di luce, è molto difficile che le particelle di luce prodotte all’interno di una stella di neutroni riescano a raggiungere la superficie, per uscire dalla stella stessa. Tuttavia, alla fine, anche le stelle di neutroni riducono la propria attività, soprattutto attraverso l’emissione di neutrini.

Per comprendere meglio il meccanismo alla base del raffreddamento delle stelle di neutroni, gli autori di un nuovo studio, pubblicato sul Physical Review C, sono entrati all’interno delle stelle stesse.

Le stelle ordinarie sono costituite da atomi: piccole sfere di protoni e neutroni, circondate da nubi vorticose di elettroni, relativamente ampie. Invece, le regioni interne delle stelle di neutroni sono così dense, che la struttura atomica cede, dando origine a una vasta area, costituita dalla cosiddetta materia nucleare.

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Al di fuori delle stelle di neutroni, per materia nucleare si intendono le particelle che costituiscono i nuclei atomici, ovvero i protoni e i neutroni, governati da regole complesse, che ancora sfuggono alla completa comprensione degli scienziati.

La pasta nucleare può essere considerata quella forma di materia che si interpone tra la materia convenzionale e la materia nucleare.

Se, all’interno di una stella di neutroni, si spreme con forza la materia, i nuclei si avvicinano sempre di più, fino a toccarsi. Quando ciò avviene, si verificano delle situazioni abbastanza “strane”.

Vi sarà un punto, in cui le pressioni sono così elevate, che la struttura della materia convenzionale collassa interamente in un brodo nucleare indifferenziato. Ma prima che ciò si verifichi, vi è una regione di pasta nucleare, nella quale la repulsione coulombiana (la forza che allontana le particelle dotate della stessa carica), e l’attrazione nucleare (la forza che tiene insieme protoni e neutroni, a distanze infinitesime), iniziano ad agire in contrapposizione. Nelle regioni in cui i nuclei riescono a toccarsi, ma la struttura atomica non è stata ancora completamente compromessa, la materia assume delle forme complicate, che vanno a costituire la nostra pasta nucleare.

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Finora, gli scienziati sapevano che questa pasta nucleare si trovava all’interno delle stelle di neutroni, in quella regione dove la materia convenzionale si trasforma in un materiale nucleare, bizzarro e poco conosciuto. E, inoltre, sapevano che le emissioni di neutrini agevolano il meccanismo di raffreddamento delle stelle di neutroni. Questo nuovo studio mostra come la pasta nucleare aiuti i neutrini a uscire fuori dalle stelle di neutroni.

Nell’ambito dello studio, è stata progettata una serie di vaste simulazioni al computer, le quali hanno mostrato in che modo i neutrini possano emergere da questo ambiente misterioso.

Il processo di produzione di un neutrino, da una stella di neutroni è molto semplice: un neutrone decade, trasformandosi in un protone leggermente più leggero e a bassa energia, e in un neutrino ultra leggero. È un processo semplice, che si verifica anche all’interno del nostro Sole, il che determina il passaggio continuo di neutrini attraverso il nostro corpo.

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Ma affinché si realizzi questo processo, devono determinarsi le giuste condizioni; e all’interno di una stella di neutroni sembra che queste condizioni non ci siano.

Le stelle di neutroni sono prevalentemente formate da neutroni, che si muovono velocemente in tutte le direzioni, con energie elevate e con una grande quantità di moto. Ma, la formazione di un neutrino prevede la produzione di un protone a bassa energia e con una quantità di moto prossima allo zero. Ma la quantità di moto, comunque, non può scomparire, perché, in accordo con la prima legge della dinamica di Newton, deve conservarsi.

I neutrini leggeri non possono acquisire tutta la quantità di moto dei protoni in decadimento, molto più pesanti. Pertanto, affinché si conservi, la quantità di moto può trovarsi solo nell’ambiente circostante.

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Tuttavia, la materia nucleare densa e rigida rappresenta un ambiente poco adatto dove riversare questa quantità di moto. Semplici modelli di emissioni da stelle di neutroni faticano a spiegare il modo in cui la materia nucleare possa assorbire abbastanza quantità di moto da permettere ai neutrini di lasciare la stella stessa.

La soluzione viene fornita dal modello proposto dagli autori dello studio, condotto presso la University of Arizona, che prevede appunto il coinvolgimento della pasta nucleare. Quelle forme, fredde e stratificate, hanno regioni a bassa densità. E la pasta nucleare è in grado di comprimersi, assorbendo la quantità di moto con un movimento increspato.

I ricercatori hanno dimostrato che le emissioni di neutrini dalla pasta nucleare sono probabilmente più efficienti rispetto alle emissioni di neutrini dall’interno delle stelle di neutroni. Questo significa che, probabilmente, il raffreddamento delle stelle di neutroni è dovuto, principalmente, al contributo della pasta nucleare.

Questa ricerca dimostra che le stelle di neutroni si raffreddano più lentamente di quanto ci si fosse aspettato, e quindi, esse vivono più a lungo.

Fonte: livescience.com