Un nuovo studio condotto da scienziati del GSI e colleghi internazionali indaga sulla formazione di buchi neri nelle fusioni di stelle di neutroni. Le simulazioni al computer mostrano che le proprietà della materia nucleare densa giocano un ruolo cruciale, che collega direttamente l'evento di fusione astrofisica agli esperimenti di collisione di ioni pesanti presso GSI e FAIR. Queste proprietà saranno studiate più precisamente presso la futura struttura FAIR. I risultati sono stati ora pubblicati in Lettere di revisione fisica . Con l'assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 2020 per la descrizione teorica dei buchi neri e per la scoperta di un oggetto supermassiccio al centro della nostra galassia, l'argomento attualmente riceve anche molta attenzione.

Ma in quali condizioni si forma effettivamente un buco nero? Questa è la domanda centrale di uno studio condotto dal GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung di Darmstadt nell'ambito di una collaborazione internazionale. Utilizzando simulazioni al computer, gli scienziati si concentrano su un particolare processo per formare buchi neri, ovvero la fusione di due stelle di neutroni.

Le stelle di neutroni sono costituite da materia densa altamente compressa. La massa di una massa solare e mezzo è ridotta alle dimensioni di pochi chilometri. Ciò corrisponde a densità simili o addirittura superiori rispetto all'interno dei nuclei atomici. Se due stelle di neutroni si fondono, la materia viene ulteriormente compressa durante la collisione. Questo porta il residuo della fusione sull'orlo del collasso in un buco nero. I buchi neri sono gli oggetti più compatti dell'universo, anche la luce non può sfuggire, quindi questi oggetti non possono essere osservati direttamente.

"Il parametro critico è la massa totale delle stelle di neutroni. Se supera una certa soglia il collasso a buco nero è inevitabile, " riassume il dott. Andreas Bauswein del dipartimento di teoria del GSI. Tuttavia, l'esatta massa di soglia dipende dalle proprietà della materia nucleare ad alta densità. In dettaglio queste proprietà della materia ad alta densità non sono ancora completamente comprese, questo è il motivo per cui i laboratori di ricerca come GSI si scontrano con i nuclei atomici, come una fusione di stelle di neutroni ma su scala molto più piccola. Infatti, le collisioni di ioni pesanti portano a condizioni molto simili alle fusioni di stelle di neutroni. Sulla base degli sviluppi teorici e degli esperimenti fisici sugli ioni pesanti, è possibile calcolare alcuni modelli di materia di stelle di neutroni, cosiddette equazioni di stato.

Utilizzando numerose di queste equazioni di stato, il nuovo studio ha calcolato la massa soglia per la formazione del buco nero. Se materia di stelle di neutroni o materia nucleare, rispettivamente, è facilmente comprimibile - se l'equazione di stato è 'morbida' - già la fusione di stelle di neutroni relativamente leggere porta alla formazione di un buco nero. Se la materia nucleare è "più rigida" e meno comprimibile, il resto è stabilizzato contro il cosiddetto collasso gravitazionale e dalla collisione si forma un enorme residuo di stella di neutroni rotante. Quindi, la massa soglia per il collasso stessa informa sulle proprietà della materia ad alta densità. Il nuovo studio ha rivelato inoltre che la soglia al collasso può anche chiarire se durante la collisione i nucleoni si dissolvono nei loro costituenti, i quark.

"Siamo molto entusiasti di questi risultati perché ci aspettiamo che le osservazioni future possano rivelare la massa soglia, " aggiunge il professor Nikolaos Stergioulas del dipartimento di fisica dell'Università Aristotele di Salonicco in Grecia. Solo pochi anni fa è stata osservata per la prima volta una fusione di stelle di neutroni misurando le onde gravitazionali dalla collisione. I telescopi hanno anche trovato la controparte elettromagnetica e rilevato la luce dall'evento di fusione Se un buco nero si forma direttamente durante la collisione, l'emissione ottica della fusione è piuttosto debole. Così, i dati osservativi indicano se è stato creato un buco nero. Allo stesso tempo, il segnale dell'onda gravitazionale trasporta informazioni sulla massa totale del sistema. Più le stelle sono massicce, più forte è il segnale dell'onda gravitazionale, che permette così di determinare la massa di soglia.

Mentre i rivelatori di onde gravitazionali e i telescopi aspettano le prossime fusioni di stelle di neutroni, il corso si sta preparando a Darmstadt per una conoscenza ancora più dettagliata. Il nuovo impianto acceleratore FAIR, attualmente in costruzione presso GSI, creerà le condizioni, che sono ancora più simili a quelli delle fusioni di stelle di neutroni. Finalmente, solo la combinazione di osservazioni astronomiche, simulazioni al computer ed esperimenti con ioni pesanti possono risolvere le domande sui mattoni fondamentali della materia e sulle loro proprietà, e, da questo, chiariranno anche come avviene il collasso a buco nero.