Le stelle di neutroni sono le più piccole, le stelle più dense dell'universo, nato dal collasso gravitazionale di stelle estremamente massicce. Fedele al loro nome, le stelle di neutroni sono composte quasi interamente da neutroni, particelle subatomiche neutre che sono state compresse in un piccolo, pacchetto celeste incredibilmente denso.

Un nuovo studio in Natura , co-guidato da ricercatori del MIT, suggerisce che alcune proprietà delle stelle di neutroni possono essere influenzate non solo dalla loro moltitudine di neutroni densamente impacchettati, ma anche da una frazione sostanzialmente più piccola di protoni, particelle cariche positivamente che costituiscono solo il 5% di una stella di neutroni.

Invece di guardare le stelle, i ricercatori sono giunti alla loro conclusione analizzando i nuclei microscopici degli atomi sulla Terra.

Il nucleo di un atomo è pieno di protoni e neutroni, anche se non così densamente come nelle stelle di neutroni. Occasionalmente, se sono abbastanza vicini in lontananza, un protone e un neutrone si accoppieranno e attraverseranno il nucleo di un atomo con un'energia insolitamente alta. Tali "correlazioni a corto raggio, "come sono conosciuti, può contribuire in modo significativo al bilancio energetico e alle proprietà complessive di un dato nucleo atomico.

I ricercatori hanno cercato segni di coppie di protoni e neutroni negli atomi di carbonio, alluminio, ferro da stiro, e guida, ciascuno con un rapporto progressivamente più alto tra neutroni e protoni. Hanno scoperto che, all'aumentare del numero relativo di neutroni in un atomo, così come la probabilità che un protone formi una coppia energetica. La probabilità che un neutrone si accoppi, però, rimasto più o meno lo stesso. Questa tendenza suggerisce che, in oggetti con alta densità di neutroni, i protoni di minoranza trasportano una parte sproporzionatamente grande dell'energia media.

"Pensiamo che quando hai un nucleo ricco di neutroni, in media, i protoni si muovono più velocemente dei neutroni, quindi in un certo senso, i protoni portano l'azione, " dice il coautore dello studio Or Hen, assistente professore di fisica al MIT. "Possiamo solo immaginare cosa potrebbe accadere in oggetti ancora più densi di neutroni come le stelle di neutroni. Anche se i protoni sono la minoranza nella stella, pensiamo che la minoranza governi. I protoni sembrano essere molto attivi, e pensiamo che potrebbero determinare diverse proprietà della stella".

Scavando tra i dati

Hen e i suoi colleghi hanno basato il loro studio sui dati raccolti dal CLAS, il CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) Large Acceptance Spectrometer, un acceleratore e rivelatore di particelle con sede al Jefferson Laboratory in Virginia. CLA, che ha operato dal 1998 al 2012, è stato progettato per rilevare e registrare le molteplici particelle che vengono emesse quando i fasci di elettroni colpiscono i bersagli atomici.

"Avere questa proprietà di un rilevatore che vede tutto e mantiene tutto per l'analisi offline è estremamente raro, " Hen dice. "Ha anche mantenuto quello che la gente considerava 'rumore, ' e ora stiamo imparando che il rumore di una persona è il segnale di un'altra persona".

Il team ha scelto di estrarre i dati archiviati di CLAF alla ricerca di segni di correlazioni a corto raggio, interazioni che il rilevatore non doveva necessariamente produrre, ma che ha comunque catturato.

"Le persone usavano il rilevatore per osservare interazioni specifiche, ma intanto, ha anche misurato in parallelo una serie di altre reazioni che hanno avuto luogo, " dice il collaboratore Larry Weinstein, professore di fisica alla Old Dominion University. "Così abbiamo pensato, "Scaviamo in questi dati e vediamo se c'è qualcosa di interessante." Vogliamo spremere quanta più scienza possibile dagli esperimenti che sono già stati eseguiti".

Una carta da ballo completa

Il team ha scelto di estrarre i dati CLAS raccolti nel 2004, durante un esperimento in cui il rivelatore puntava fasci di elettroni sul carbonio, alluminio, ferro da stiro, e atomi di piombo, con l'obiettivo di osservare come le particelle prodotte nelle interazioni nucleari viaggiano attraverso il volume rispettivamente maggiore di ciascun atomo. Insieme alle loro diverse dimensioni, ciascuno dei quattro tipi di atomi ha rapporti diversi tra neutroni e protoni nei loro nuclei, con il carbonio che ha il minor numero di neutroni e il piombo che ne ha di più.

La rianalisi dei dati è stata effettuata dallo studente laureato Meytal Duer dell'Università di Tel Aviv in collaborazione con il MIT e l'Old Dominion University, ed è stato condotto da Hen. Lo studio complessivo è stato condotto da un consorzio internazionale chiamato CLAS Collaboration, composto da 182 membri provenienti da 42 istituzioni in 9 paesi.

Il gruppo ha studiato i dati per i segni di protoni e neutroni ad alta energia - indicazioni che le particelle si erano appaiate - e se la probabilità di questo accoppiamento cambiava all'aumentare del rapporto tra neutroni e protoni.

"Volevamo partire da un nucleo simmetrico e vedere, man mano che aggiungiamo più neutroni, come si evolvono le cose, " dice Hen. "Non arriveremmo mai alle simmetrie delle stelle di neutroni qui sulla Terra, ma potremmo almeno vedere qualche tendenza e capire da quello, cosa potrebbe succedere nella stella."

Alla fine, il team ha osservato che all'aumentare del numero di neutroni nel nucleo di un atomo, anche la probabilità che i protoni abbiano energie elevate (e si siano accoppiati con un neutrone) è aumentata significativamente, mentre la stessa probabilità per i neutroni è rimasta la stessa.

"L'analogia che ci piace fare è che è come andare a una festa da ballo, " Gallina dice, invocando uno scenario in cui i ragazzi che potrebbero fare coppia con le ragazze sulla pista da ballo sono ampiamente in inferiorità numerica. "Quello che accadrebbe è, il ragazzo medio... ballerebbe molto di più, quindi, anche se erano una minoranza nel partito, i ragazzi, come i protoni, sarebbe estremamente attivo".

Hen dice che questa tendenza dei protoni energetici negli atomi ricchi di neutroni può estendersi a oggetti ancora più densi di neutroni, come le stelle di neutroni. Il ruolo dei protoni in questi oggetti estremi potrebbe quindi essere più significativo di quanto si sospettasse in precedenza. Questa rivelazione, gallina dice, potrebbe scuotere la comprensione degli scienziati su come si comportano le stelle di neutroni. Ad esempio, poiché i protoni possono trasportare sostanzialmente più energia di quanto si pensasse in precedenza, possono contribuire alle proprietà di una stella di neutroni come la sua rigidità, il suo rapporto tra massa e dimensione, e il suo processo di raffreddamento.

"Tutte queste proprietà quindi influenzano il modo in cui due stelle di neutroni si fondono insieme, che pensiamo sia uno dei principali processi nell'universo che creano nuclei più pesanti del ferro, come l'oro, " dice Hen. "Ora che sappiamo che la piccola frazione di protoni nella stella è altamente correlata, dovremo ripensare a come si comportano [le stelle di neutroni]".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.