L'opportunità di misurare le onde gravitazionali di due stelle di neutroni che si fondono potrebbe offrire risposte ad alcune delle domande fondamentali sulla struttura della materia. Alle temperature e densità estremamente elevate nella fusione, gli scienziati hanno ipotizzato una transizione di fase in cui i neutroni si dissolvono nei loro costituenti quark e gluoni. Nel numero attuale di Lettere di revisione fisica , due gruppi di ricerca internazionali riferiscono sui loro calcoli di come sarebbe la firma di una tale transizione di fase in un'onda gravitazionale.

quark, i più piccoli mattoni della materia, non apparire mai solo in natura. Sono sempre strettamente legati all'interno di protoni e neutroni. Però, stelle di neutroni che pesano quanto il sole, ma essendo grande quanto una città come Francoforte, possiedono un nucleo così denso che può verificarsi una transizione dalla materia di neutroni alla materia di quark. I fisici si riferiscono a questo processo come una transizione di fase, simile alla transizione liquido-vapore in acqua. In particolare, tale transizione di fase è, in linea di principio, possibile quando la fusione di stelle di neutroni forma un oggetto metastabile molto massiccio con densità superiori a quella dei nuclei atomici e con temperature 10, 000 volte più alto che nel nucleo del sole.

La misurazione delle onde gravitazionali emesse dalla fusione di stelle di neutroni potrebbe fungere da messaggero di possibili transizioni di fase nello spazio. La transizione di fase dovrebbe lasciare un'impronta caratteristica nel segnale dell'onda gravitazionale. I gruppi di ricerca di Francoforte, Darmstadt e Ohio (Goethe University/FIAS/GSI/Kent University), nonché Darmstadt e Wroclaw (GSI/Wroclaw University) hanno utilizzato moderni supercomputer per calcolare come potrebbe essere questa firma. Per questo scopo, hanno usato più modelli teorici della transizione di fase.

Nel caso in cui una transizione di fase avvenga più dopo la fusione effettiva, piccole quantità di quark appariranno gradualmente in tutto l'oggetto unito. "Con l'aiuto delle equazioni di Einstein, siamo stati in grado di mostrare per la prima volta che questo sottile cambiamento nella struttura produrrà una deviazione nel segnale dell'onda gravitazionale fino a quando la massiccia stella di neutroni appena formata collasserà sotto il suo stesso peso per formare un buco nero, " spiega Luciano Rezzolla, che è professore di astrofisica teorica all'Università di Goethe.

Nei modelli al computer del Dr. Andreas Bauswein del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung di Darmstadt, una transizione di fase avviene già subito dopo la fusione:un nucleo di materia di quark si forma all'interno dell'oggetto centrale. "Siamo riusciti a dimostrare che in questo caso ci sarà un netto cambiamento nella frequenza del segnale dell'onda gravitazionale, " dice Bauswein. "Così, abbiamo identificato un criterio misurabile per una transizione di fase nelle onde gravitazionali delle fusioni di stelle di neutroni in futuro".

Non tutti i dettagli del segnale dell'onda gravitazionale sono ancora misurabili con i rilevatori di corrente. Però, diventeranno osservabili sia con la prossima generazione di rivelatori, così come con un evento di fusione relativamente vicino a noi. Un approccio complementare per rispondere alle domande sulla materia di quark è offerto da due esperimenti:facendo collidere ioni pesanti all'attuale configurazione HADES del GSI e al futuro rivelatore CBM presso la Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), attualmente in costruzione presso GSI, verrà prodotta materia nucleare compressa. Nelle collisioni, potrebbe essere possibile creare temperature e densità simili a quelle di una fusione di stelle di neutroni. Entrambi i metodi forniscono nuove informazioni sul verificarsi delle transizioni di fase nella materia nucleare e quindi sulle sue proprietà fondamentali.