Una tipica stella di neutroni con un raggio di undici chilometri è grande circa quanto una città tedesca di medie dimensioni. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA
Un team di ricerca internazionale guidato dai membri del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) ha ottenuto nuove misurazioni di quanto siano grandi le stelle di neutroni. Fare così, hanno combinato una descrizione generale dei primi principi del comportamento sconosciuto della materia delle stelle di neutroni con osservazioni multi-messaggero della fusione binaria di stelle di neutroni GW170817. I loro risultati, che è apparso in Astronomia della natura oggi, sono più stringenti di un fattore due rispetto ai limiti precedenti e mostrano che una tipica stella di neutroni ha un raggio vicino a 11 chilometri. Scoprono anche che le stelle di neutroni che si fondono con i buchi neri hanno nella maggior parte dei casi probabilità di essere inghiottite intere, a meno che il buco nero non sia piccolo e/o in rapida rotazione. Ciò significa che mentre tali fusioni potrebbero essere osservabili come sorgenti di onde gravitazionali, sarebbero invisibili nello spettro elettromagnetico.
"Le fusioni binarie di stelle di neutroni sono una miniera d'oro di informazioni!" dice Collin Capano, ricercatore presso l'AEI Hannover e autore principale del Astronomia della natura studio. "Le stelle di neutroni contengono la materia più densa dell'universo osservabile. Infatti, sono così densi e compatti, che puoi pensare all'intera stella come a un singolo nucleo atomico, ridimensionato fino alle dimensioni di una città. Misurando le proprietà di questi oggetti, impariamo a conoscere la fisica fondamentale che governa la materia a livello subatomico."
"Troviamo che la tipica stella di neutroni, che è circa 1,4 volte più pesante del nostro Sole ha un raggio di circa 11 chilometri, "dice Badri Krishnan, che guida il gruppo di ricerca dell'AEI Hannover. "I nostri risultati limitano il raggio ad essere probabilmente da qualche parte tra 10,4 e 11,9 chilometri. Questo è un fattore due più rigoroso rispetto ai risultati precedenti".
Fusioni binarie di stelle di neutroni come tesoro astrofisico
Le stelle di neutroni sono compatte, resti estremamente densi di esplosioni di supernova. Hanno all'incirca le dimensioni di una città con una massa fino al doppio del nostro Sole. Come il ricco di neutroni, il comportamento della materia estremamente densa è sconosciuto, ed è impossibile creare tali condizioni in qualsiasi laboratorio sulla Terra. I fisici hanno proposto vari modelli (equazioni di stato), ma non è noto quale (se esiste) di questi modelli descriva correttamente la materia delle stelle di neutroni in natura.
Fusioni di stelle di neutroni binarie, come GW170817, che è stato osservato nelle onde gravitazionali e nell'intero spettro elettromagnetico nell'agosto 2017, sono gli eventi astrofisici più eccitanti quando si tratta di saperne di più sulla materia in condizioni estreme e sulla fisica nucleare sottostante. Da questa, gli scienziati possono a loro volta determinare le proprietà fisiche delle stelle di neutroni come il raggio e la massa.
Il team di ricerca ha utilizzato un modello basato su una descrizione dei primi principi di come le particelle subatomiche interagiscono alle alte densità che si trovano all'interno delle stelle di neutroni. Sorprendentemente, come mostra la squadra, calcoli teorici su scale di lunghezza inferiori a un trilionesimo di millimetro possono essere confrontati con le osservazioni di un oggetto astrofisico distante più di cento milioni di anni luce.
"È un po' sbalorditivo, " dice Capano. " GW170817 è stato causato dalla collisione di due oggetti delle dimensioni di una città 120 milioni di anni fa, quando i dinosauri camminavano da queste parti sulla Terra. È successo in una galassia a un miliardo di trilioni di chilometri di distanza. Da quello, abbiamo acquisito informazioni sulla fisica subatomica."
Quanto è grande una stella di neutroni?
La descrizione dei primi principi utilizzata dai ricercatori prevede un'intera famiglia di possibili equazioni di stato per le stelle di neutroni, che derivano direttamente dalla fisica nucleare. Da questa famiglia, gli autori hanno selezionato quei membri che hanno maggiori probabilità di spiegare diverse osservazioni astrofisiche; hanno scelto i modelli
Ciò non solo ha permesso ai ricercatori di ricavare informazioni solide sulla fisica della materia densa, ma anche per ottenere i limiti più stringenti sulla dimensione delle stelle di neutroni fino ad oggi.
Osservazioni future di onde gravitazionali e multi-messaggero
"Questi risultati sono entusiasmanti, non solo perché siamo stati in grado di migliorare notevolmente le misurazioni dei raggi delle stelle di neutroni, ma poiché ci offre una finestra sul destino ultimo delle stelle di neutroni nelle binarie di fusione, "dice Stefania Brown, coautore della pubblicazione e un dottorato di ricerca. studente presso l'AEI Hannover. I nuovi risultati implicano che, con un evento come GW170817, i rivelatori LIGO e Virgo alla sensibilità di progetto 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 di ricerca ha scoperto anche che per i binari misti (una stella di neutroni che si fonde con un buco nero), Le sole osservazioni sulla fusione delle onde gravitazionali avranno difficoltà a distinguere tali eventi dai buchi neri binari. Le osservazioni nello spettro elettromagnetico o nelle onde gravitazionali successive alla fusione saranno cruciali per distinguerle.
Però, si scopre che i nuovi risultati implicano anche che è improbabile che si verifichino osservazioni multi-messaggero di fusioni binarie miste. "Abbiamo dimostrato che in quasi tutti i casi la stella di neutroni non verrà fatta a pezzi dal buco nero e piuttosto inghiottita intera, " spiega Capano. "Solo quando il buco nero è molto piccolo o ruota rapidamente, può distruggere la stella di neutroni prima di inghiottirla; e solo allora possiamo aspettarci di vedere qualcosa oltre alle onde gravitazionali."
Un futuro luminoso davanti
Nel decennio successivo, i rilevatori di onde gravitazionali esistenti diventeranno ancora più sensibili, e altri rilevatori inizieranno a osservare. Il team di ricerca si aspetta rilevazioni di onde gravitazionali più rumorose e possibili osservazioni multi-messaggero dalla fusione di stelle di neutroni binarie. Ognuna di queste fusioni fornirebbe meravigliose opportunità per saperne di più sulla stella di neutroni e sulla fisica nucleare.
