Il 14 agosto 2019, la collaborazione LIGO-Virgo ha rilevato un segnale di onde gravitazionali ritenuto associato alla fusione di un sistema stellare binario composto da un buco nero con una massa di 23 volte la massa del sole (M⊙) e un oggetto compatto con una massa di circa 2,6 M⊙. La natura della stella secondaria di GW190814 è enigmatica, da, secondo le attuali osservazioni astronomiche, potrebbe essere la stella di neutroni più pesante o il buco nero più leggero mai osservato.

Ricercatori dell'Università di Pisa, L'Università di Ferrara e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia hanno recentemente condotto uno studio esplorando la possibilità che la fonte dell'evento GW190814 rilevato da LIGO-Virgo sia un sistema stellare di quark buco nero-strano. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , si basa su un modello astrofisico che hanno sviluppato diversi anni fa.

"La prima condizione richiesta dal nostro modello è che la densità centrale delle stelle di neutroni massicce sia sufficientemente alta da consentire una transizione da una fase di materia nucleare "normale" (un fluido costituito da neutroni, protoni ed eventualmente altre particelle come gli iperoni) a una nuova fase che consiste in un fluido composto dai tre tipi più leggeri di quark, vale a dire l'alto (u), quark down (d) e strani (s) (la cosiddetta materia dei quark strani), "Ignazio Bombaci, Alessandro Drago, Domenico Logoteta, Giuseppe Pagliara e Isaac Vidaña, i ricercatori che hanno condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "Inoltre, se la materia dei quark strani è assolutamente stabile (la cosiddetta ipotesi di Bodmer-Terezawa-Witten) allora la transizione è del primo ordine, e le stelle di neutroni "normali" oltre un valore soglia della loro massa diventano metastabili e possono essere convertite in strane stelle di quark".

Lo scenario astrofisico esplorato da Bombaci e dai suoi colleghi propone che in natura, ci sono due famiglie coesistenti di stelle compatte, vale a dire stelle di neutroni "normali" e stelle di quark strani. Inoltre, quando una stella di neutroni viene convertita in una strana stella di quark, rilascia una notevole quantità di energia (circa 10 ⁵³ erg), che assomiglia all'energia rilasciata durante l'esplosione di una supernova.

"Un malinteso comune e ancora popolare è che la transizione di fase alla materia strana dei quark rende il materiale stellare più morbido, cioè, più comprimibile, " hanno spiegato i ricercatori. "Questo equivoco si basa sull'errata convinzione che i quark possano essere considerati come particelle non interagenti (gas di Fermi ideale). L'introduzione di dinamiche di quark più sofisticate ha indicato inequivocabilmente che la materia dei quark strani è piuttosto rigida, e le stelle strane di quark possono quindi avere grandi masse fino a quasi tre volte la massa del sole (M⊙)."

Quando Bombaci e i suoi colleghi hanno esaminato per la prima volta i dati associati all'evento delle onde gravitazionali GW190814, in particolare il valore della massa dell'oggetto compatto secondario del sistema binario (cioè, 2,50 ‒ 2,67 M⊙), si resero conto che questo oggetto poteva far parte della seconda famiglia di stelle compatte (cioè, una stella di quark strano di grande massa).

Secondo il paradigma attualmente accettato in astronomia, c'è solo una famiglia di stelle compatte (cioè, la famiglia delle stelle di neutroni). Inoltre, il paradigma suggerisce che esiste una corrispondenza biunivoca tra la densità centrale e la pressione di una stella di neutroni e la sua massa e raggio. Ciò significa che misurare la massa e il raggio di diverse singole stelle di neutroni potrebbe consentire ai ricercatori di dedurre la relazione tra la pressione e la densità del materiale stellare, determinare la cosiddetta equazione di stato della materia densa.

Come nello scenario considerato da Bombaci e dai suoi colleghi, ci sono due famiglie coesistenti di stelle compatte; la loro connessione con l'equazione di stato della materia densa dovrebbe idealmente essere esplorata da una prospettiva nuova e diversa.

"Secondo noi, questa è una delle intuizioni più significative che il nostro lavoro apporta ai campi dell'astrofisica e della fisica della materia densa, " hanno detto i ricercatori. "Un'altra implicazione rilevante è che nel nostro scenario, ci sono tre possibili tipi di fusioni:stella di neutroni–stella di neutroni, stella di neutroni–stella di quark strano, stella di quark strano–stella di quark strano. La fenomenologia delle fusioni è quindi molto diversa dal caso in cui vi sia una sola famiglia di stelle compatte".

Il recente articolo di Bombaci e dei suoi colleghi delinea tre diversi tipi di possibili fusioni tra stelle. Inoltre, suggerisce che se la materia dei quark strani è assolutamente stabile, anche la materia oscura potrebbe essere, almeno in parte, fatto di grossi pezzi di su, down e strani quark. Questa ipotesi non è stata ancora esclusa da alcuna osservazione sperimentale.

I dati futuri raccolti dai rilevatori di onde gravitazionali combinati con misurazioni precise del raggio di massa potrebbero aiutare a testare ulteriormente l'ipotesi introdotta da questo team di ricercatori.

"In particolare, dovremmo avere l'opportunità di testare il nostro modello di scenario bifamiliare rispetto a vincoli più rigorosi, " hanno detto i ricercatori. "Ci aspettiamo anche di imparare dalla fenomenologia delle fusioni, in particolare dall'analisi del segnale della kilonova:il segnale atteso è abbastanza diverso nel nostro scenario da quello in cui esiste una sola famiglia di stelle compatte."

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