Gli scienziati spaziali dell'Università di Bath nel Regno Unito hanno trovato un nuovo modo per sondare la struttura interna delle stelle di neutroni, dando ai fisici nucleari un nuovo strumento per studiare le strutture che compongono la materia a livello atomico.

Le stelle di neutroni sono stelle morte che sono state compresse dalla gravità fino alle dimensioni di piccole città. Contengono la materia più estrema dell'universo, nel senso che sono gli oggetti più densi esistenti (per confronto, se la Terra fosse compressa alla densità di una stella di neutroni, misurerebbe solo poche centinaia di metri di diametro, e tutti gli umani starebbero in un cucchiaino). Questo rende le stelle di neutroni laboratori naturali unici per i fisici nucleari, la cui comprensione della forza che lega le particelle subatomiche è limitata al loro lavoro sui nuclei atomici legati alla Terra. Studiare come si comporta questa forza in condizioni più estreme offre un modo per approfondire la loro conoscenza.

Passo in astrofisici, che guardano a galassie lontane per svelare i misteri della fisica.

In uno studio descritto nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society , Gli astrofisici di Bath hanno scoperto che l'azione di due stelle di neutroni che si muovono sempre più velocemente mentre si muovono a spirale verso una violenta collisione fornisce un indizio sulla composizione del materiale delle stelle di neutroni. Da queste informazioni, i fisici nucleari saranno in una posizione più forte per calcolare le forze che determinano la struttura di tutta la materia.

Risonanza

È attraverso il fenomeno della risonanza che il team di Bath ha fatto la sua scoperta. La risonanza si verifica quando la forza viene applicata a un oggetto alla sua frequenza naturale, generando un grande, spesso catastrofico, movimento vibrazionale. Un noto esempio di risonanza si trova quando un cantante d'opera rompe un bicchiere cantando abbastanza forte a una frequenza che corrisponde ai modi di oscillazione del bicchiere.

Quando una coppia di stelle di neutroni in spirale raggiunge uno stato di risonanza, la loro crosta solida, che si pensa sia 10 miliardi di volte più forte dell'acciaio, si frantuma. Ciò si traduce nel rilascio di un lampo luminoso di raggi gamma (chiamato Resonant Shattering Flare) che può essere visto dai satelliti. Le stelle in spirale rilasciano anche onde gravitazionali che possono essere rilevate da strumenti sulla Terra. I ricercatori di Bath hanno scoperto che misurando sia il brillamento che il segnale dell'onda gravitazionale, possono calcolare l'"energia di simmetria" della stella di neutroni.

L'energia di simmetria è una delle proprietà della materia nucleare. Controlla il rapporto delle particelle subatomiche (protoni e neutroni) che compongono un nucleo, e come questo rapporto cambia quando è sottoposto alle densità estreme che si trovano nelle stelle di neutroni. Una lettura dell'energia di simmetria darebbe quindi una forte indicazione della composizione delle stelle di neutroni, e per estensione, i processi mediante i quali tutti i protoni e i neutroni si accoppiano, e le forze che determinano la struttura di tutta la materia.

I ricercatori sottolineano che le misurazioni ottenute studiando la risonanza delle stelle di neutroni utilizzando una combinazione di raggi gamma e onde gravitazionali sarebbero complementari a, piuttosto che un sostituto per, gli esperimenti di laboratorio dei fisici nucleari.

"Studiando le stelle di neutroni, e i cataclismi finali di questi oggetti massicci, siamo in grado di capire qualcosa del piccolo, minuscoli nuclei che costituiscono materia estremamente densa, " ha detto l'astrofisico di Bath Dr. David Tsang. "L'enorme differenza di scala rende questo affascinante".

Dottorato in astrofisica studente Duncan Neill, che ha condotto la ricerca, ha aggiunto:"Mi piace che questo lavoro guardi alla stessa cosa studiata dai fisici nucleari. Loro guardano minuscole particelle e noi astrofisici guardiamo oggetti ed eventi da molti milioni di anni luce di distanza. Stiamo guardando la stessa cosa in modo completamente un modo differente."

Dottor Will Newton, astrofisico presso la Texas A&M University-Commerce e collaboratore di progetto, disse:"Sebbene la forza che lega i quark ai neutroni e ai protoni sia nota, come funziona effettivamente quando un gran numero di neutroni e protoni si uniscono non è ben compreso. La ricerca per migliorare questa comprensione è aiutata dai dati sperimentali di fisica nucleare, ma tutti i nuclei che sondano sulla Terra hanno un numero simile di neutroni e protoni legati insieme all'incirca alla stessa densità.

"Nelle stelle di neutroni, la natura ci fornisce un ambiente molto diverso per esplorare la fisica nucleare:materia composta principalmente da neutroni e che abbraccia un'ampia gamma di densità, fino a circa dieci volte la densità dei nuclei atomici. In questo documento, mostriamo come possiamo misurare una certa proprietà di questa materia, l'energia di simmetria, da distanze di centinaia di milioni di anni luce di distanza. Questo può far luce sul funzionamento fondamentale dei nuclei".