La materia nel cuore delle stelle di neutroni, resti densi di stelle massicce esplose, assume la forma più estrema che possiamo misurare. Ora, grazie ai dati della stella di neutroni della NASA Interior Composition Explorer (NICER), un telescopio a raggi X sulla Stazione Spaziale Internazionale, gli scienziati hanno scoperto che questa materia misteriosa è meno comprimibile di quanto previsto da alcuni fisici.

La scoperta si basa sulle osservazioni di NICER su PSR J0740+6620 (J0740 in breve), la stella di neutroni più massiccia conosciuta, che si trova più di 3, A 600 anni luce di distanza nella costellazione settentrionale di Camelopardalis. J0740 si trova in un sistema stellare binario con una nana bianca, il fresco residuo di una stella simile al Sole, e ruota 346 volte al secondo. Osservazioni precedenti collocano la massa della stella di neutroni a circa 2,1 volte quella del Sole.

"Siamo circondati da materia normale, le cose della nostra esperienza quotidiana, ma ci sono molte cose che non sappiamo su come si comporta la materia, e come si trasforma, in condizioni estreme, " disse Zaven Arzoumanian, il capo scientifico NICER presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Misurando le dimensioni e le masse delle stelle di neutroni con NICER, stiamo esplorando la materia sul punto di implodere in un buco nero. Una volta che ciò accade, non possiamo più studiare la materia perché è nascosta dall'orizzonte degli eventi del buco nero".

Arzoumanian e i membri del team NICER hanno presentato i loro risultati sabato, 17 aprile in una riunione virtuale dell'American Physical Society, e gli articoli che descrivono i risultati e le loro implicazioni sono ora in fase di revisione scientifica.

Alla fine della sua vita, una stella molte volte più pesante del Sole esaurisce il carburante nel suo nucleo, crolla sotto il suo stesso peso, ed esplode in una supernova. La più pesante di queste stelle esplosive lascia buchi neri. Quelle più leggere danno vita a stelle di neutroni, che racchiudono più massa del Sole in una sfera larga circa quanto l'isola di Manhattan di New York City è lunga.

Gli scienziati pensano che le stelle di neutroni siano stratificate. In superficie, una sottile atmosfera di atomi di idrogeno o di elio poggia su una crosta solida di atomi più pesanti. In crosta, il rapido aumento della pressione sottrae elettroni ai nuclei atomici. Più in basso, nel nucleo esterno, i nuclei si dividono in neutroni e protoni. L'immensa pressione schiaccia insieme protoni ed elettroni per formare un mare di principalmente neutroni che alla fine vengono ammassati insieme fino a due volte la densità di un nucleo atomico.

Ma quale forma assume la materia nel nucleo interno? Sono i neutroni fino in fondo, o i neutroni si rompono nelle loro stesse parti costituenti, chiamati quark?

I fisici si sono posti questa domanda da quando Walter Baade e Fritz Zwicky hanno proposto l'esistenza delle stelle di neutroni nel 1934. Per rispondere, gli astronomi hanno bisogno di misurazioni precise sia delle dimensioni che delle masse di questi oggetti. Ciò consente loro di calcolare la relazione tra pressione e densità nel nucleo interno della stella e valutare la comprimibilità finale della materia.

Nei modelli tradizionali di una tipica stella di neutroni, uno con circa 1,4 volte la massa del Sole, i fisici si aspettano che il nucleo interno sia per lo più pieno di neutroni. La densità più bassa assicura che i neutroni rimangano abbastanza distanti da rimanere intatti, e questa rigidità interna si traduce in una stella più grande.

In stelle di neutroni più massicce come J0740, la densità del nucleo interno è molto più alta, schiacciando i neutroni più vicini tra loro. Non è chiaro se i neutroni possano rimanere intatti in queste condizioni o se invece si scompongano in quark. I teorici sospettano che si frantumino sotto la pressione, ma rimangono molte domande sui dettagli. Per avere risposte, gli scienziati hanno bisogno di una misurazione precisa delle dimensioni per una stella di neutroni massiccia. Una stella più piccola favorirebbe scenari in cui i quark vagano liberamente nelle profondità più interne perché le particelle più piccole possono essere impacchettate più da vicino. Una stella più grande suggerirebbe la presenza di forme di materia più complesse.

Per ottenere le misure precise necessarie, NICER osserva stelle di neutroni in rapida rotazione chiamate pulsar, scoperto nel 1967 da Jocelyn Bell Burnell. Luminosa, Sulla superficie di questi oggetti si formano punti caldi che emettono raggi X. Mentre le pulsar ruotano, le loro macchie girano dentro e fuori dalla vista come i raggi di un faro, producendo variazioni regolari nella loro luminosità dei raggi X.

Ma le pulsar sono anche così dense che la loro gravità si deforma nello spazio-tempo vicino, come una palla da bowling appoggiata su un trampolino. Questa distorsione è abbastanza forte da far sì che la luce proveniente dal lato più lontano della stella, luce che altrimenti non potremmo rilevare, venga reindirizzata verso di noi, il che fa sembrare la pulsar più grande di quanto non sia in realtà. La stessa massa in un pacchetto più piccolo produce una maggiore distorsione. Questo effetto può essere così intenso da impedire ai punti caldi di scomparire completamente mentre ruotano attorno alla pulsar.

Gli scienziati possono trarre vantaggio da questi effetti perché NICER misura l'arrivo di ogni raggio X a una velocità migliore di 100 nanosecondi. Seguendo come varia la luminosità dei raggi X della pulsar mentre ruota, gli scienziati possono ricostruire quanto distorce lo spazio-tempo. Poiché ne conoscono la massa, possono tradurre questa distorsione in una dimensione.

Due team hanno utilizzato approcci diversi per modellare le dimensioni di J0740. Un gruppo guidato da Thomas Riley e Anna Watts, ricercatore post-dottorato e professore di astrofisica all'Università di Amsterdam, rispettivamente, stima che la pulsar abbia un diametro di circa 24,8 chilometri (15,4 miglia). Una squadra guidata da Cole Miller, professore di astronomia all'Università del Maryland, Parco dell'università, ha scoperto che J0740 è largo circa 17 miglia (27,4 chilometri). I due risultati si sovrappongono in modo significativo all'interno delle loro incertezze, che vanno da 14,2 a 17 miglia (da 22,8 a 27,4 chilometri) e da 15,2 a 20,2 miglia (da 24,4 a 32,6 chilometri), rispettivamente.

Oltre ai dati PI PIACEVOLI, entrambi i gruppi includevano anche osservazioni a raggi X dal satellite XMM-Newton dell'Agenzia spaziale europea, utili per tenere conto del rumore di fondo. La massa di J0740 è stata precedentemente determinata da misurazioni radio effettuate dagli scienziati del North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves e dal Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment.

Nel 2019, I team di Riley e Miller hanno utilizzato i dati NICER per stimare sia le dimensioni che la massa della pulsar J0030+0451 (o J0030). Hanno determinato che l'oggetto era circa 1,4 volte la massa del Sole e 16 miglia (26 chilometri) di diametro.

"Le nostre nuove misurazioni di J0740 mostrano che anche se è quasi il 50% più massiccio di J0030, è essenzialmente della stessa dimensione, "Ha detto Watts. "Questo sfida alcuni dei modelli più comprimibili di nuclei di stelle di neutroni, comprese le versioni dove l'interno è solo un mare di quark. Le dimensioni e la massa di J0740 pongono anche problemi per alcuni modelli meno comprimibili contenenti solo neutroni e protoni".

I recenti modelli teorici propongono alcune alternative, come nuclei interni contenenti un mix di neutroni, protoni, e la materia esotica fatta di quark o nuove combinazioni di quark. Ma tutte le possibilità dovranno essere rivalutate nel contesto di queste nuove informazioni da NICER.

"Le dimensioni di J0740 lasciano sconcertati ed eccitati noi teorici, " ha detto Sanjay Reddy, un professore di fisica all'Università di Washington che studia la materia in condizioni estreme ma non è stato coinvolto nella scoperta. "misure di PI PIACEVOLI, combinato con altre osservazioni multimessenger, sembrano supportare l'idea che la pressione aumenti rapidamente nei nuclei di stelle di neutroni massicci. Mentre questo sfavorevole le transizioni a forme di materia più comprimibili nel nucleo, le sue implicazioni devono ancora essere completamente comprese".

Il team di Miller ha anche determinato quanto bene gli scienziati possono stimare le dimensioni di una pulsar, utilizzando le misurazioni J0740 e J0030 di NICER per integrare le informazioni esistenti da altre pulsar pesanti ed eventi di onde gravitazionali, increspature spazio-temporali generate dalle collisioni di oggetti massicci come stelle di neutroni e buchi neri.

"Ora conosciamo il raggio di una stella di neutroni standard, con 1,4 volte la massa del Sole, entro un'incertezza del 5%, " ha detto Miller. "È come conoscere le dimensioni di Washington, DC, a circa un quarto di miglio. NICER non sta solo riscrivendo i libri di testo sulle stelle di neutroni, ma anche rivoluzionando la nostra fiducia nelle nostre misurazioni di oggetti che sono sia molto distanti che molto piccoli."

Oltre a testare i limiti della materia, le stelle di neutroni offrono anche un nuovo mezzo per esplorare le vaste distese dello spazio. Nel 2018, un team di scienziati e ingegneri della NASA ha utilizzato NICER per dimostrare, per la prima volta, navigazione completamente autonoma nello spazio utilizzando pulsar, che potrebbe rivoluzionare la nostra capacità di pilotare veicoli spaziali robotici fino ai confini del sistema solare e oltre.

"PIACEVOLE era un ottimo compagno di squadra, " ha detto l'astronauta della NASA Christina Koch, che ha prestato servizio come ingegnere di volo sulla stazione spaziale da marzo 2019 a febbraio 2020, stabilendo il record per il volo spaziale singolo più lungo di una donna. "La missione esemplifica tutti gli aspetti migliori della ricerca sulle stazioni. È una scienza fondamentale rivoluzionaria, scienza spaziale, e innovazione tecnologica, il tutto reso possibile dall'ambiente e dalla piattaforma unici di un laboratorio orbitante."