Le stelle di neutroni sono piccole come asteroidi ma sono talmente dense che un volume pari a quello di una zolletta di zucchero avrebbe la stessa massa di tutta l’umanità.
Le stelle di neutroni
Possiamo considerare una stella di neutroni ciò che resta dopo la fine cataclismatica di una stella di grande massa in seguito al collasso gravitazionale del nucleo e all’esplosione come supernova. Si ritiene che il collasso gravitazionale di una stella con una massa compresa tra 8/10 volte e 20/30 volte la massa del Sole origini una stella di neutroni, mentre masse superiori originino un buco nero. Una stella come il nostro Sole e tutte le stelle che non arrivano al limite minimo di 8/10 masse solari originano una nana bianca. Queste indicazioni però sono ancora abbastanza incerte.
Nelle stelle di neutroni, una massa di 1,4 volte quella del Sole, la massa di “Chandrasekhar”, come viene chiamata, è compressa in una regione di spazio di 10/20 Km di raggio.
L’enorme densità delle stelle di neutroni presenta valori molto più elevati della densità della comune materia tanto da far collassare la materia a livello atomico.
Gli elettroni che normalmente formano una nube attorno al nucleo vengono “schiacciati” fino a fondersi con esso formando neutroni, da qui il nome della stella.
Quanto sono grandi effettivamente questi relitti cosmici superdensi?
Abbiamo qualche conoscenza sulle stelle di neutroni ma non sappiamo come si comporta la materia superdensa e ricca di neutroni in quanto non siamo in grado di ricreare in laboratorio quelle condizioni. I fisici hanno sviluppato dei modelli chiamati equazioni di stato ma non sanno quale modello, se presente, descriva correttamente la materia che compone le stelle di neutroni.
Lo studio
Un gruppo di ricerca composto da membri del Max Planck Institute for Gravitational Physics ha utilizzato un modello basato su una descrizione dei primi principi di come le particelle subatomiche interagiscono alle alte densità presenti all’interno delle stelle di neutroni. Sorprendentemente, come dimostra il team, i calcoli teorici su scale di lunghezza inferiori a un trilionesimo di millimetro possono essere confrontati con le osservazioni di un oggetto astrofisico a più di cento milioni di anni luce di distanza.
Grazie a misurazioni condotte sulla fusione di una coppia di stelle di neutroni, GW170817, osservata nel 2017, il team ha ottenuto nuove misurazioni sul raggio delle stelle di neutroni. I risultati, apparsi su Nature Astronomy, sono più precisi di un fattore due rispetto a limiti precedenti, mostrando che una stella di neutroni tipica ha un raggio vicino agli 11 Km.
Il team ha fatto altre sorprendenti scoperte: le stelle di neutroni ad esempio vengono “divorate” intere da un buco nero se questi è sufficientemente grande e non sia in rapida rotazione. Tali fusioni sono rilevabili grazie alle onde gravitazionali emesse.
“È sbalorditivo“, ha affermato Capano. “GW170817 è stato causato dalla collisione di due oggetti delle dimensioni di una città 120 milioni di anni fa, quando i dinosauri stavano camminando sulla Terra. Ciò è accaduto in una galassia a miliardi di miliardi di chilometri di distanza. Da queste osservazioni abbiamo acquisito una nuova visione della fisica subatomica“.
La descrizione dei primi principi usata dai ricercatori prevede un’intera famiglia di possibili equazioni di stato per le stelle di neutroni, direttamente derivate dalla fisica nucleare. Da questa famiglia di equazioni, gli autori hanno scelto quelle che hanno maggiori probabilità di spiegare diverse osservazioni astrofisiche; hanno scelto i modelli che concordano con le osservazioni sulle onde gravitazionali di GW170817 dai dati pubblici LIGO e Virgo, quelli che producono una stella di neutroni iper-massiccia di breve durata a seguito della fusione, e quelli che concordano con vincoli noti sulla massa massima della stella di neutroni dalle osservazioni di controparte elettromagnetica di GW170817.
Grazie a queste equazioni i ricercatori hanno ricavato solide informazioni sulla fisica della materia densa, ma hanno anche ottenuto limiti più severi sulla dimensione delle stelle di neutroni.
Come commenta Badri Krishnan, che guida il gruppo di ricerca dell’AEI di Hannover. “I nostri risultati limitano probabilmente il raggio tra 10,4 e 11,9 chilometri. Questo è un fattore due volte più rigoroso dei risultati precedenti“.
“Questi risultati sono entusiasmanti, non solo perché siamo stati in grado di migliorare notevolmente le misurazioni dei raggi delle stelle di neutroni, ma perché ci dà una finestra sul destino finale delle stelle di neutroni nelle unioni binare“, aggiunge Stephanie Brown, coautrice della pubblicazione presso l’AEI Hannover.
I nuovi risultati ottenuti implicano che, con un evento come GW170817, i rivelatori LIGO e Virgo alla sensibilità progettuale saranno in grado di distinguere facilmente, dalle sole onde gravitazionali, se due stelle di neutroni o due buchi neri si sono fusi. Per GW170817, le osservazioni nello spettro elettromagnetico sono state cruciali per fare questa distinzione.
Il team ha inoltre scoperto che per le binarie miste come ad esempio una stella di neutroni che si fonde con un buco nero saranno indistinguibili da eventi di fusione di buchi neri binari utilizzando solamente il rilevamento delle onde gravitazionali, tali eventi misti necessiteranno anche di osservazioni nello spettro elettromagnetico. Il nuovo studio però spiega che è improbabile che si verifichino osservazioni di fusioni binarie miste.
“Abbiamo dimostrato che in quasi tutti i casi la stella di neutroni non sarà lacerata dal buco nero e piuttosto inghiottita intera“, spiega Capano. “Solo quando il buco nero è molto piccolo o gira rapidamente, può distruggere la stella di neutroni prima di ingerirla; e solo allora possiamo aspettarci di vedere qualcosa oltre alle onde gravitazionali“.
In futuro i rilevatori di onde gravitazionali saranno ancora più sensibili e nuove strutture inizieranno a sondare lo spazio. I ricercatori si aspettano di captare allora onde gravitazionali molto più intense e possibili osservazioni multi messaggero di stelle binarie a neutroni, abbiamo ancora molto da imparare su questi oggetti e sulla fisica nucleare.
