UNO STUDIO BASATO SULL’IMPLEMENTAZIONE DI UN ALGORITMO GENETICO

Tensione sul limite di massa delle stelle di neutroni

Le onde gravitazionali rilevate nei due eventi Gw 170817 e Gw 190814 hanno fornito informazioni contraddittorie riguardo al limite di massa delle stelle di neutroni, creando tensione e incertezza nella comunità scientifica. Uno studio presentato su ApJ Letters mostra che tale tensione può essere facilmente rimossa nel caso in cui la secondaria in Gw 190814 fosse un buco nero e non una stella di neutroni. Ne parliamo con uno degli autori, l’astrofisico Luciano Rezzolla

     18/03/2021
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Immagine prodotta a partire da una simulazione della fusione di due stelle di neutroni. Osservazioni di collisioni come queste possono aiutarci a determinare la massa massima che una stella di neutroni può raggiungere. Crediti: Nasa / Aei / Zib / M. Koppitz e L. Rezzolla

Le stelle di neutroni – nuclei estremamente densi di stelle massicce collassate – sono costituite quasi interamente da neutroni “impacchettati” alla densità dei nuclei atomici. Densità che raggiungono un milione di miliardi di volte quella dell’acqua. Questa massa estrema in uno spazio così piccolo si traduce in una straordinaria attrazione gravitazionale verso l’interno della stella stessa, che aumenta man mano che si aggiungono più neutroni. Quando la forza gravitazionale supera le forze quantistiche e nucleari combinate che esercitano una pressione verso l’esterno – la cui origine quindi non è termodinamica, ma quantistica – la stella collassa per formare un buco nero.

Qual è il limite di massa massimo al di sopra del quale una stella di neutroni collassa in un buco nero? La teoria suggerisce che, per una stella di neutroni non rotante, questo limite va da circa 2 a 3 volte la massa del Sole, ma il valore preciso si basa sullo stato, attualmente sconosciuto, della materia all’interno della stella di neutroni. Per aggirare il limite imposto da queste informazioni mancanti, abbiamo bisogno di vincoli osservativi che ci aiutino a definire quanto può essere “pesante” una stella di neutroni. A questo proposito, negli ultimi anni le onde gravitazionali hanno fornito nuove preziose informazioni. In particolare, due fusioni di oggetti compatti si stanno rivelando utili allo scopo.

La prima è conosciuta come Gw 170817, nella quale due stelle di neutroni aventi massa nell’intervallo 1.1-1.6 masse solari, si sono fuse per formare un oggetto più grande, che si pensa sia collassato in un buco nero poco dopo la fusione. Le osservazioni dell’onda gravitazionale ed elettromagnetica di questo processo indicano una massa massima delle stelle di neutroni inferiore a 2.3 masse solari.

La seconda è conosciuta come Gw 190814. In questo caso, un buco nero di oltre 20 masse solari si è fuso con un oggetto di 2.5-2.7 masse solari, ma non sappiamo se quell’oggetto più piccolo fosse un buco nero o una stella di neutroni. Se fosse una stella di neutroni non rotante, ciò implicherebbe che il limite superiore per la massa della stella di neutroni è superiore a 2.5 masse solari.

Impressione artistica di una stella di neutroni con un forte campo magnetico. Crediti: Nasa / Penn State University / Casey Reed

È possibile conciliare queste due informazioni potenzialmente contrastanti? Uno studio condotto da Antonios Nathanail (Institute for Theoretical Physics, Germania) – insieme a Elias R. Most e Luciano Rezzolla – presenta una nuova analisi che esplora ciò che queste fusioni ci dicono sui limiti delle stelle di neutroni. Gli scienziati hanno analizzato queste due fusioni impiegando un algoritmo genetico, ossia un algoritmo che esplora un ampio spazio di parametri e cerca soluzioni ottimizzate imitando il processo di selezione naturale. Utilizzando questo algoritmo, gli autori hanno identificato quali soluzioni di massa massima sono coerenti con le osservazioni di onde gravitazionali ed elettromagnetiche di Gw 170817 e Gw 190814 e le simulazioni numeriche di fusioni.

Dalla loro indagine sistematica, gli autori hanno dedotto che una grande massa massima per le stelle di neutroni – come le 2.5 masse solari richieste se la secondaria di Gw 190814 fosse una stella di neutroni non rotante – non trova riscontro con le osservazioni di Gw 170817 o con le aspettative delle simulazioni numeriche di produzione di onde gravitazionali.

Funzione di distribuzione di probabilità per la massa massima di una stella di neutroni non rotante, come stimato dall’algoritmo genetico degli autori (curva blu) e in un precedente studio di Gw170817 (curva viola). Crediti: Nathanail et al. 2021

Gli autori hanno invece scoperto che una massa massima di una stella di neutroni di circa 2.2 masse solari riproduce perfettamente le osservazioni di Gw 170817 ed è coerente con le simulazioni numeriche. Questo limite superiore implica che la secondaria di Gw 190814 era troppo grande per essere una stella di neutroni non rotante e che, più probabilmente, Gw 190814 sia stata la fusione di due buchi neri di diversa massa.

«Determinare la massa massima di una stella di neutroni è estremamente importante perché ci fornisce informazioni preziose sulle proprietà della materia nucleare. Le informazioni contraddittorie ottenute con Gw 170817 e Gw 190814 hanno creato tensione e incertezza nella comunità scientifica. Questo lavoro mostra che la tensione può essere facilmente rimossa: affinché le due osservazioni siano mutualmente compatibili, la secondaria in Gw190814 doveva essere un buco nero e non una stella di neutroni», conclude Rezzolla per Media Inaf.

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