Nuovi limiti dimensionali per le stelle di neutroni

L’immagine raffigura l’intervallo di dimensioni possibili per una tipica stella di neutroni, confrontandola con la dimensione della città di Francoforte. Crediti: Lukas Weih, Goethe University, satellite image: GeoBasis-DE/BKG (2009) Google

Le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi conosciuti, con una massa paragonabile a quella del Sole concentrata in pochi chilometri di raggio, da otto a sedici secondo le stime. Una densità paragonabile a quella che si avrebbe concentrando la massa di una portaerei in un granello di sabbia.

Un nuovo studio, pubblicato sull’ultimo numero di Physical Review Letters da un gruppo di astrofisici della Goethe University di Francoforte e della FIAS, definisce un limite  alla dimensione delle stelle di neutroni con un margine di errore di 1.5 chilometri, utilizzando un elaborato approccio statistico supportato dai dati della misurazione delle onde gravitazionali.

La natura estrema delle stelle di neutroni, con densità simili a quelle dei nuclei atomici, rende la determinazione delle loro dimensioni un’informazione importantissima per la fisica nucleare. Da più di quaranta anni, infatti, si cerca una soluzione che fornisca indicazioni sul comportamento fondamentale della materia alle densità nucleari.

Il rilevamento delle onde gravitazionali dovute alla fusione di stelle di neutroni, nome in codice GW170817, ha contribuito in maniera importante alla conoscenza di questi corpi celesti. Alla fine del 2017, il professor Luciano Rezzolla, della Goethe University di Francoforte, insieme ai suoi studenti Elias Most e Lukas Weih, ha sfruttato i dati delle onde gravitazionali per rispondere a una domanda di vecchia data sulla massa massima che le stelle di neutroni possono raggiungere prima di collassare in un buco nero, un risultato che è stato poi confermato da altri gruppi. Dopo questo primo importante risultato, lo stesso team, con l’aiuto del professor Juergen Schaffner-Bielich, ha lavorato per stabilire vincoli più stretti sulla dimensione delle stelle di neutroni.

Poiché l’equazione di stato che descrive la materia all’interno delle stelle di neutroni non è nota, i fisici hanno deciso di perseguire un altro sentiero, selezionando metodi statistici volti a determinarne la dimensione entro ristretti limiti, per stabilire i quali hanno calcolato più di due miliardi di modelli teorici di stelle di neutroni, risolvendo le equazioni di Einstein che descrivono l’equilibrio di queste stelle relativistiche e combinando il grande insieme di dati ottenuto con i vincoli provenienti dal rilevamento dell’onda gravitazionale GW170817.

Il risultato è che una tipica stella di neutroni, con una massa più grande di quella del nostro Sole, è compattata in una sfera il cui diametro è paragonabile a quello della città di Francoforte, con un raggio tra i 12 e i 13.5 chilometri.

«Un approccio di questo tipo non è insolito nella fisica teorica», osserva Rezzolla. «Esplorando i risultati per tutti i possibili valori dei parametri, possiamo ridurre efficacemente le nostre incertezze». Questo risultato potrà essere ulteriormente perfezionato dalle future rilevazioni di onde gravitazionali.

«Tuttavia, c’è una svolta  in tutto questo, poiché le stelle di neutroni possono avere due soluzioni», commenta Schaffner-Bielich. È infatti possibile che a densità ultraelevate, la materia cambi drasticamente le sue proprietà e subisca una cosiddetta transizione di fase, fenomeno simile a ciò che accade all’acqua quando congela e passa dallo stato liquido a quello solido. Nel caso delle stelle di neutroni, questa transizione si ipotizza trasformi la materia ordinaria in quark matter, producendo stelle che avranno esattamente la stessa massa della loro gemella di neutroni, ma che saranno molto più piccole e di conseguenza più compatte.

Sebbene non esistano prove certe della loro esistenza, sono soluzioni plausibili e i ricercatori ne hanno tenuto conto nei loro calcoli, nonostante le complicazioni aggiuntive che implicano. Alla fine, lo sforzo ha dato i suoi frutti, ottenendo un risultato inatteso: le stelle di quark sono statisticamente rare e non possono deformarsi molto durante la fusione di due stelle. Questa è una scoperta importante poiché potenzialmente consente agli scienziati di escludere l’esistenza di questi oggetti molto compatti. Le future osservazioni di onde gravitazionali riveleranno quindi se le stelle di neutroni hanno o meno gemelle ancora più esotiche.

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Fonte: Nuovi limiti dimensionali per le stelle di neutroni