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    I fisici fissano limiti alle dimensioni delle stelle di neutroni

    Intervallo delle dimensioni di una tipica stella di neutroni rispetto alla città di Francoforte. Credito:Lukas Weih, Università Goethe, immagine satellitare:GeoBasis-DE/BKG (2009) Google

    Quanto è grande una stella di neutroni? Le stime precedenti variavano da otto a 16 chilometri. Gli astrofisici dell'Università Goethe di Francoforte e della FIAS sono ora riusciti a determinare la dimensione delle stelle di neutroni entro 1,5 chilometri utilizzando un elaborato approccio statistico supportato dai dati della misurazione delle onde gravitazionali. Il rapporto dei ricercatori appare nell'attuale numero di Lettere di revisione fisica .

    Le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi dell'universo, con una massa maggiore di quella del nostro sole compattata in una sfera relativamente piccola il cui diametro è paragonabile a quello della città di Francoforte. Questa è in realtà solo una stima approssimativa, però. Da più di 40 anni, la determinazione della dimensione delle stelle di neutroni è stata un santo graal nella fisica nucleare la cui soluzione fornirebbe importanti informazioni sul comportamento fondamentale della materia alle densità nucleari.

    I dati del rilevamento delle onde gravitazionali dalla fusione di stelle di neutroni (GW170817) danno un contributo importante alla risoluzione di questo enigma. Alla fine del 2017, Professor Luciano Rezzolla, Istituto di Fisica Teorica presso l'Università Goethe di Francoforte e FIAS, insieme ai suoi studenti Elias Most e Lukas Weih hanno già sfruttato questi dati per rispondere a una domanda di vecchia data sulla massa massima che le stelle di neutroni possono supportare prima di collassare in un buco nero, un risultato confermato anche da vari altri gruppi in tutto il mondo. A seguito di questo primo importante risultato, la stessa squadra, con l'aiuto del professor Juergen Schaffner-Bielich, ha lavorato per stabilire vincoli più rigidi sulla dimensione delle stelle di neutroni.

    Il nocciolo della questione è che l'equazione di stato che descrive la materia all'interno delle stelle di neutroni non è nota. I fisici hanno quindi deciso di seguire un'altra strada:hanno selezionato metodi statistici per determinare la dimensione delle stelle di neutroni entro limiti ristretti. Per fissare i nuovi limiti, hanno calcolato più di due miliardi di modelli teorici di stelle di neutroni risolvendo le equazioni di Einstein che descrivono l'equilibrio di queste stelle relativistiche e combinando questo ampio set di dati con i vincoli derivanti dal rilevamento delle onde gravitazionali GW170817.

    "Un approccio di questo tipo non è insolito nella fisica teorica, "dice Rezzola, aggiungendo:"Esplorando i risultati per tutti i possibili valori dei parametri, possiamo ridurre efficacemente le nostre incertezze." Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di determinare il raggio di una tipica stella di neutroni entro un raggio di soli 1,5 km:si trova tra 12 e 13,5 chilometri, un risultato che può essere ulteriormente perfezionato da futuri rilevamenti di onde gravitazionali.

    "Però, c'è una svolta in tutto questo, poiché le stelle di neutroni possono avere soluzioni gemelle, " dice Schaffner-Bielich. È infatti possibile che a densità ultra-elevate, la materia cambia drasticamente le sue proprietà e subisce una cosiddetta "transizione di fase". Questo è simile a ciò che accade all'acqua quando si congela e passa da uno stato liquido a uno solido. Nel caso delle stelle di neutroni, si ipotizza che questa transizione trasformi la materia ordinaria in "materia di quark, " producendo stelle che avranno la stessa massa della loro stella di neutroni "gemella, " ma sarà molto più piccolo e di conseguenza più compatto.

    Sebbene non vi siano prove certe della loro esistenza, sono soluzioni plausibili e i ricercatori di Francoforte hanno tenuto conto di questa possibilità, nonostante le complicazioni aggiuntive che implicano le stelle gemelle. Questo sforzo alla fine è stato ripagato poiché i loro calcoli hanno rivelato un risultato inaspettato:le stelle gemelle sono statisticamente rare e non possono essere deformate molto durante la fusione di due di queste stelle. Questa è una scoperta importante in quanto ora consente agli scienziati di escludere potenzialmente l'esistenza di questi oggetti molto compatti. Le future osservazioni delle onde gravitazionali riveleranno quindi se le stelle di neutroni hanno o meno gemelli esotici.


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