A volte la scienza può essere fortuita.

Certamente questo è stato il caso quando l'ex professore dell'UConn Greg Huber si è imbattuto in un'immagine in un diario di fisica che sembrava quella accatastata, strati equidistanti di un parcheggio multipiano. Un team di ricercatori ha annunciato che tali strutture potrebbero esistere in profondità nella crosta esterna delle stelle di neutroni come una forma di pasta nucleare. (Ne parleremo più avanti.)

A Huber, l'immagine era qualcosa di completamente diverso. Era una classica esposizione di strutture microscopiche trovate nel citoplasma cellulare che lui ei suoi colleghi della UConn hanno aiutato a scoprire diversi anni prima. In un documento del 2014 Huber li ha soprannominati "rampe Terasaki" dopo che il biologo delle cellule UConn Mark Terasaki, il suo ex collega (e vicino di West Hartford), chi è stato il primo ad individuarli.

Ma queste nuove strutture erano molto lontane da casa. Come le forme sorprendentemente simili sono comparse sia nelle minuscole cellule viventi sulla Terra che nelle stelle di neutroni inanimate massicciamente dense a migliaia di anni luce di distanza, affascinato Huber. Ha contattato il ricercatore senior della pubblicazione della rivista, Charles Horowitz, un fisico nucleare all'Università dell'Indiana, che per caso era uno degli ex professori di Huber quando frequentava il MIT. (Più serendipità?)

Dopo che Huber e Horowitz parlarono, hanno realizzato i potenziali benefici di una collaborazione. La loro indagine sulle somiglianze strutturali appare questo mese sulla rivista Revisione fisica C .

"In pratica gli ho detto (Horowitz) che vediamo cose molto simili nel reticolo endoplasmatico delle cellule eucariotiche, "dice Huber, un biofisico della materia soffice che ora serve come vicedirettore del Kavli Institute for Theoretical Physics presso l'Università della California, Santa Barbara. "Vediamo gli stessi fogli equidistanti collegati da rampe a spirale (i garage). Vediamo anche giunzioni tubolari a tre vie simili con angoli di 120 gradi proprio come stavano vedendo".

Si ritiene che le rampe Terasaki presenti nelle cellule aiutino a massimizzare la sintesi proteica fornendo una superficie maggiore per i ribosomi per impacchettarsi e costruire proteine.

Le strutture del "parcheggio" che si trovano nelle stelle di neutroni sembrano svolgere un ruolo molto diverso.

Mentre i motivi strutturali della stella di neutroni sembrano quasi identici a quelli di Huber e Terasaki trovati all'interno delle cellule, le scale fisiche e i livelli di energia sono fuori scala. Le stelle di neutroni si formano quando le stelle più grandi muoiono e collassano su se stesse. Sono le stelle più piccole e dense di cui si conosca l'esistenza. L'unica cosa più densa è un buco nero. La crosta esterna di una stella di neutroni è 14 ordini di grandezza più densa dell'ambiente acquoso di una cellula. Il campo gravitazionale della stella è 2×10¹¹ volte quello trovato sulla Terra, e le stelle di neutroni possono ruotare diverse centinaia di volte al secondo.

La biologia su scala cellulare, d'altra parte, si basa su quello che ci sembra, un ambiente relativamente banale dominato dall'entropia dell'acqua e dall'assemblaggio di biomolecole. I due oggetti non potrebbero essere più diversi in termini di scale di temperatura, scale di pressione, scale di lunghezza, eccetera., dice Huber. Eppure geometricamente, le loro strutture simili a garage "Terasaki ramp" sembrano le stesse.

"In fisica, spesso vediamo che la natura usa forme simili anche se i materiali sottostanti sono completamente diversi, " dice Huber. "C'è uno schema che è più profondo dei dettagli delle cose che lo compongono."

La ricerca di Huber e Horowitz ha sollevato questioni intriganti.

Una delle loro conclusioni iniziali è stata che le forme delle rampe di Terasaki possono essere dettate dalle regole della geometria tanto quanto qualsiasi altra cosa, e può essere indipendente da altre considerazioni microscopiche.

Nelle stelle di neutroni, le strutture possono ridurre la conduttività elettrica e termica nella crosta stellare, influenzare il modo in cui la crosta si raffredda, e possibilmente svolgere un ruolo nell'eventuale decadimento dei campi magnetici della stella, Huber e Horowitz dicono. O no. In alternativa, i fogli stratificati e le rampe elicoidali possono consentire ai protoni di percolarsi in tutto il sistema esterno della stella di neutroni, rendendolo superconduttore.

Questo primo studio, Huber dice, è solo l'inizio di un nuovo percorso di ricerca.

Con le stelle di neutroni così lontane, fisici nucleari come Horowitz si affidano a modelli informatici avanzati per illustrare le loro varie teorie. Le diverse strutture che sono state identificate nelle stelle di neutroni sono note come "pasta nucleare" per via della loro forma simile alla pasta. C'è una fase di spaghetti a nastro, una fase di lasagna a sfoglia, e anche una fase di gnocchi compatti. Le diverse fasi si formano in un'intensa regione di transizione tra il guscio esterno della stella e il nucleo ultra-denso.

Ma ora che è stata stabilita una connessione con le rampe Terasaki, i fisici nucleari dovrebbero essere in grado di prendere in prestito idee dagli studi a livello cellulare che vengono condotti per migliorare i propri modelli di come le forze fisiche stanno plasmando qualcosa di così grande e sconosciuto come le stelle di neutroni.

"Un modo per vederlo è che la fisica usa le strutture più e più volte, " dice Huber. "È quasi come se la fisica riciclasse strutture e motivi fondamentali. Le stesse equazioni appaiono nonostante quale sia il sistema. Vediamo modelli simili nonostante le enormi disparità di scala e di energia. Utilizzando queste nuove informazioni, possiamo creare modelli migliori che potrebbero aiutarci a saperne di più sul perché la crosta di una stella di neutroni si comporta in un certo modo".

È stato detto che tutti abbiamo un certo debito di gratitudine verso le stelle, come gli elementi fondamentali della vita – idrogeno, ossigeno, ferro da stiro, carbonio – proveniva dalla polvere di stelle. Ma Huber e i suoi colleghi sono felici di lasciare domande sulla nostra interconnessione universale ai filosofi. Per adesso, il loro focus è sulla "pasta, ' 'Terasaki rampe, ' e quelle misteriose stelle di neutroni che ruotano nel cielo.