DUE STUDI SU PHYSICAL REVIEW LETTERS

Quando due stelle di neutroni si uniscono

Gli scienziati ipotizzano che alle temperature e densità estremamente elevate alle quali si verifica la fusione di due stelle di neutroni possa avvenire una transizione di fase nella quale i neutroni si dissolvono nei loro costituenti: quark e gluoni. Due gruppi di ricerca internazionali mostrano come ci dovremmo aspettare la firma di una tale transizione di fase nell’onda gravitazionale prodotta dall’evento

Simulazione di una fusione di stelle di neutroni effettuata con un supercomputer. Diversi colori mostrano la densità di massa e la temperatura qualche tempo dopo la fusione e poco prima che l’oggetto collassi in un buco nero. Si prevede che i quark si formino dove la temperatura e la densità sono più alte. Crediti: C. Breu, L. Rezzolla

I quark, i più piccoli elementi costitutivi della materia, in natura non si presentano mai da soli: sono sempre strettamente legati all’interno di protoni e neutroni. Tuttavia, le stelle di neutroni, che pesano tanto quanto il Sole ma le cui dimensioni sono paragonabili a quelle di una città come Francoforte, possiedono un nucleo estremamente denso nel quale può verificarsi una transizione da materia costituita da neutroni a materia di quark. I fisici chiamano questo processo transizione di fase, simile alla transizione liquido-vapore per l’acqua. In particolare, tale transizione di fase in linea di principio è possibile quando la fusione di stelle di neutroni porta alla formazione di un oggetto meta-stabile molto massiccio con densità superiori a quelle dei nuclei atomici e con temperature 10mila volte più alte rispetto a quelle che caratterizzano il Sole.

Le onde gravitazionali emesse dalla fusione di stelle di neutroni potrebbero essere un messaggero, nello spazio esterno all’oggetto collassato, delle transizioni di fase che avvengono al suo interno. Infatti, i ricercatori ipotizzano che la transizione di fase dovrebbe lasciare una firma caratteristica nel segnale dell’onda gravitazionale. I gruppi di ricerca di Francoforte, Darmstadt e Ohio (Goethe University/Fias/Gsi/Kent University) nonché di Darmstadt e Wroclaw (Gsi/Wroclaw University) hanno utilizzato moderni super-computer per calcolare come questa firma potrebbe apparire. A tale scopo, hanno utilizzato diversi modelli teorici della transizione di fase.

Nel caso in cui la transizione di fase avvenga dopo l’effettiva fusione, appariranno gradualmente piccole quantità di quark nell’oggetto che si è formato. «Con l’aiuto delle equazioni di Einstein, siamo stati in grado di mostrare, per la prima volta, che questo sottile cambiamento nella struttura produrrà una deviazione nel segnale dell’onda gravitazionale, fino a quando la stella di neutroni massiva appena formata collassa sotto il suo stesso peso per formare un buco nero», spiega Luciano Rezzolla, professore di astrofisica teorica presso la Goethe University.

Istantanee sul piano equatoriale di tre momenti rappresentativi dell’evoluzione del sistema binario di massa ridotta. Per ogni istantanea, la parte sinistra del pannello riporta la temperatura mentre la parte destra riporta la frazione di quark. Le linee verdi mostrano i contorni di iso-densità di barioni in unità della densità di saturazione nucleare. Da notare che una transizione di fase avviene solo poco prima che la stella di neutroni collassi in un buco nero (vedi pannello a destra). Crediti: Physical Review Letters

Nei modelli di Andreas Bauswein, del Gsi Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung a Darmstadt, una transizione di fase avviene subito dopo la fusione: un nucleo di materia di quark si forma all’interno dell’oggetto centrale. «Siamo riusciti a dimostrare che in questo caso ci sarà un netto cambiamento nella frequenza del segnale dell’onda gravitazionale», afferma Bauswein. «In questo modo, abbiamo identificato un criterio misurabile per individuare una transizione di fase nelle onde gravitazionali generate dalla fusione di stelle di neutroni».

Con gli attuali rivelatori, non tutti i dettagli del segnale dell’onda gravitazionale sono misurabili. Tuttavia, diventeranno osservabili sia con la prossima generazione di strumenti, sia nel caso in cui l’evento di fusione si verifichi relativamente vicino a noi.

Un approccio complementare per rispondere alle domande sulla materia di quark è offerto da due esperimenti: dalla collisione di ioni pesanti all’interno dell’installazione Hades presente al Gsi e nel futuro rilevatore Cbm presso la Facility for Antiproton and Ion Research (Fair), attualmente in costruzione alla Gsi, verrà prodotta materia nucleare compressa. Nelle collisioni, potrebbe essere possibile creare temperature e densità simili a quelle di una fusione di stelle di neutroni.

Entrambi i metodi forniscono nuove informazioni sul verificarsi delle transizioni di fase nella materia nucleare e quindi sulle sue proprietà fondamentali.

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