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.
Ulteriori osservazioni attese
Le informazioni sui raggi e sulle masse di stelle di neutroni hanno già notevolmente ridotto le incertezze associate alle proprietà termodinamiche della materia di stelle di neutroni. Ciò ha anche permesso di completare l’analisi presentata dal gruppo di ricerca finlandese nel loro articolo.
Nella nuova analisi, le osservazioni astrofisiche sono state combinate con i risultati teorici all’avanguardia della fisica delle particelle e del nucleare. Ciò ha permesso di derivare una previsione accurata di quella che è conosciuta come equazione di stato della materia stellare di neutroni, che si riferisce alla relazione tra la sua pressione e la densità di energia.
Un componente integrale di questo processo è un risultato ben noto della relatività generale, che mette in relazione l’equazione di stato con una relazione tra i possibili valori dei raggi e delle masse di stelle di neutroni.
Dall’autunno del 2017 sono state osservate numerose nuove fusioni di stelle di neutroni e LIGO e Virgo sono diventate rapidamente parte integrante della ricerca sulle stelle di neutroni.
Questo rapido accumulo di nuove informazioni osservative svolge un ruolo chiave nel migliorare l’accuratezza delle nuove scoperte del gruppo di ricerca finlandese e nel confermare l’esistenza della materia di quark all’interno delle stelle di neutroni. Con le ulteriori osservazioni attese nel prossimo futuro, anche le incertezze associate ai nuovi risultati diminuiranno.
“C’è motivo di credere che l’età d’oro dell’astrofisica delle onde gravitazionali sia appena iniziata e che presto assisteremo a molti altri sviluppi come questo nella nostra comprensione della natura“, conclude Vuorinen.
Fonte: Nature
