Un gruppo di ricerca finlandese ha trovato prove evidenti della presenza di materia di quark esotici all'interno dei nuclei delle più grandi stelle di neutroni esistenti. Hanno raggiunto questa conclusione combinando i recenti risultati della fisica nucleare e delle particelle teoriche alle misurazioni delle onde gravitazionali delle collisioni di stelle di neutroni.

Tutta la materia normale che ci circonda è composta da atomi, i cui densi nuclei, composto da protoni e neutroni, sono circondati da elettroni carichi negativamente. Però, dentro le stelle di neutroni, è noto che la materia atomica collassa in una materia nucleare immensamente densa in cui i neutroni ei protoni sono ammassati insieme così strettamente che l'intera stella può essere considerata un unico enorme nucleo.

Fino ad ora, è rimasto poco chiaro se la materia nucleare nei nuclei delle stelle di neutroni più massicce collassi in uno stato ancora più esotico chiamato materia di quark, in cui i nuclei stessi non esistono più. I ricercatori dell'Università di Helsinki ora affermano che la risposta a questa domanda è sì. I nuovi risultati sono stati pubblicati in Fisica della natura .

"Confermare l'esistenza di nuclei di quark all'interno delle stelle di neutroni è stato uno degli obiettivi più importanti della fisica delle stelle di neutroni da quando questa possibilità è stata presa in considerazione per la prima volta circa 40 anni fa, ", afferma il Professore Associato Aleksi Vuorinen del Dipartimento di Fisica dell'Università di Helsinki.

Esistenza molto probabile

Con simulazioni anche su larga scala eseguite su supercomputer incapaci di determinare il destino della materia nucleare all'interno delle stelle di neutroni, il gruppo di ricerca finlandese ha proposto un nuovo approccio al problema. Si sono resi conto che combinando le recenti scoperte della fisica teorica delle particelle e del nucleare con misurazioni astrofisiche, potrebbe essere possibile dedurre le caratteristiche e l'identità della materia che risiede all'interno delle stelle di neutroni.

Oltre a Vuorinen, il gruppo comprende la dottoranda Eemeli Annala di Helsinki, così come i loro colleghi Tyler Gorda dell'Università della Virginia, Aleksi Kurkela del CERN, e Joonas Nättilä della Columbia University.

Secondo lo studio, la materia che risiede all'interno dei nuclei delle stelle di neutroni stabili più massicce ha una somiglianza molto più stretta con la materia di quark che con la normale materia nucleare. I calcoli indicano che in queste stelle, il diametro del nucleo identificato come materia di quark può superare la metà di quello dell'intera stella di neutroni. Però, Vuorinen sottolinea che ci sono ancora molte incertezze associate all'esatta struttura delle stelle di neutroni. Cosa significa affermare che la materia dei quark è stata quasi certamente scoperta?

"C'è ancora una possibilità piccola ma diversa da zero che tutte le stelle di neutroni siano composte da sola materia nucleare. Quello che siamo stati in grado di fare, però, è quantificare ciò che questo scenario richiederebbe. In breve, il comportamento della materia nucleare densa dovrebbe allora essere veramente peculiare. Ad esempio, la velocità del suono dovrebbe raggiungere quasi quella della luce, "Spiega Vuorinen.

Determinazione del raggio da osservazioni di onde gravitazionali

Un fattore chiave che ha contribuito alle nuove scoperte è stato l'emergere di due recenti risultati nell'astrofisica osservativa:la misurazione delle onde gravitazionali da una fusione di stelle di neutroni e il rilevamento di stelle di neutroni molto massicce, con masse prossime a due masse solari.

Nell'autunno del 2017, rilevati gli osservatori LIGO e Virgo, per la prima volta, onde gravitazionali generate dalla fusione di due stelle di neutroni. Questa osservazione ha fissato un limite superiore rigoroso per una quantità chiamata deformabilità mareale, che misura la suscettibilità della struttura di una stella orbitante al campo gravitazionale della sua compagna. Questo risultato è stato successivamente utilizzato per derivare un limite superiore per i raggi delle stelle di neutroni in collisione, che risultava essere di circa 13 km.

Allo stesso modo, mentre la prima osservazione di una stella di neutroni risale addirittura al 1967, misurazioni di massa accurate di queste stelle sono state possibili solo negli ultimi 20 anni circa. La maggior parte delle stelle con masse accuratamente note cadono all'interno di una finestra compresa tra 1 e 1,7 masse stellari, ma l'ultimo decennio ha visto il rilevamento di tre stelle che hanno raggiunto o forse anche leggermente superato il limite di due masse solari.

Si attendono ulteriori osservazioni

Un po' controintuitivamente, le informazioni sui raggi e le masse delle stelle di neutroni hanno già ridotto considerevolmente le incertezze associate alle proprietà termodinamiche della materia delle stelle di neutroni. Ciò ha consentito anche di completare l'analisi presentata dal gruppo di ricerca finlandese nel loro Fisica della natura articolo.

Nella nuova analisi, le osservazioni astrofisiche sono state combinate con i risultati teorici all'avanguardia della fisica delle particelle e nucleare. Ciò ha permesso di derivare una previsione accurata per quella che è nota come l'equazione di stato della materia delle stelle di neutroni, che si riferisce alla relazione tra la sua pressione e densità di energia. Una componente integrale di questo processo era un noto risultato della relatività generale, che mette in relazione l'equazione di stato con una relazione tra i possibili valori dei raggi e delle masse delle stelle di neutroni.

Dall'autunno del 2017 sono state osservate una serie di nuove fusioni di stelle di neutroni, e LIGO e Virgo sono diventati rapidamente parte integrante della ricerca sulle stelle di neutroni. È questo rapido accumulo di nuove informazioni osservative che svolge un ruolo chiave nel migliorare l'accuratezza delle nuove scoperte del gruppo di ricerca finlandese, e nel confermare l'esistenza di materia di quark all'interno delle stelle di neutroni. Con ulteriori osservazioni attese nel prossimo futuro, automaticamente diminuiranno anche le incertezze legate ai nuovi risultati.

"C'è motivo di credere che l'età d'oro dell'astrofisica delle onde gravitazionali sia appena iniziata, e che presto assisteremo a molti altri salti come questo nella nostra comprensione della natura, " Vuorinen esulta.