Un gruppo di ricerca ha trovato prove evidenti della presenza di materia di quark esotica all’interno dei nuclei delle più grandi stelle di neutroni esistenti. La conclusione è stata raggiunta combinando i risultati recenti della fisica teorica delle particelle e del nucleare alle misurazioni delle onde gravitazionali da collisioni di stelle di neutroni.

Tutta la materia normale che ci circonda è composta da atomi, i cui nuclei densi, comprendenti protoni e neutroni, sono circondati da elettroni caricati negativamente. All’interno di quelle che vengono chiamate stelle di neutroni, la materia atomica è, tuttavia, nota per collassare in materia nucleare immensamente densa, in cui i neutroni e i protoni sono imballati così strettamente che l’intera stella può essere considerata un unico enorme nucleo.

Fino ad ora, non è stato chiaro se all’interno dei nuclei delle stelle di neutroni più massicce la materia nucleare collassasse 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 sulla rivista Nature Physics.

Con materia di quark ci si riferisce ad un certo numero di stati (di cui alcuni teorici) della materia, che la vedono costituita da quark e gluoni. Questi costituenti sono i responsabili del trasporto della carica di colore ed interagiscono secondo la cromodinamica quantistica (QCD). [Wikipedia]

Il professor Aleksi Vuorinen del Dipartimento di fisica dell’Università di Helsinki:

“Confermare l’esistenza di nuclei di quark all’interno di stelle di neutroni è stato uno degli obiettivi più importanti della fisica delle stelle di neutroni sin da quando questa possibilità è stata presa in considerazione per la prima volta circa 40 anni fa”.

Esistenza molto probabile

Anche con simulazioni su larga scala eseguite su supercomputer incapaci di determinare il destino della materia nucleare all’interno di stelle di neutroni, il gruppo di ricerca finlandese ha proposto un nuovo approccio al problema. Si sono resi conto che combinando i recenti risultati della fisica teorica delle particelle e del nucleare con le 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 studentessa di dottorato 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 vicina alla materia dei quark che alla materia nucleare ordinaria. 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. Tuttavia, 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?

Vuorinen spiega: “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, tuttavia, è quantificare ciò che questo scenario richiederebbe. In breve, il comportamento della materia nucleare densa dovrebbe quindi essere veramente peculiare. Ad esempio, la velocità del suono dovrebbe raggiungere quasi quella della luce”.

Determinazione del raggio da osservazioni di onde gravitazionali

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

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

Allo stesso modo, mentre la prima osservazione di una stella di neutroni risale al 1967, misurazioni accurate della massa di queste stelle sono state possibili solo negli ultimi 20 anni circa. La maggior parte delle stelle con masse accuratamente conosciute cade all’interno di una finestra compresa tra 1 e 1,7 masse stellari, ma negli ultimi dieci anni si è assistito al rilevamento di tre stelle che hanno raggiunto o forse anche leggermente superiore al limite di due masse solari.

Sono attese ulteriori osservazioni

In modo un po’ controintuitivo, 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 anche permesso di completare l’analisi presentata dal gruppo di ricerca finlandese nel loro articolo Nature Physics.

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

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

Si rallegra Vuorinen:

“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 balzi come questo nella nostra comprensione della natura”.