POTREBBE ESSERE IL PARTNER DEL BUCO NERO CHE HA PRODOTTO GW 190814

Stella di quark, un compagno “strano”

Vi ricordate di Gw 190814, il segnale gravitazionale rilevato da Ligo e Virgo nell’agosto del 2019? A produrlo fu la fusione di due oggetti compatti: un buco nero da 23 masse solari e un oggetto di circa 2.6 masse solari la cui natura è ancora avvolta nel mistero. Secondo uno studio pubblicato su Physical Review Letters, potrebbe essere stata una stella di quark strani. Ne parliamo con Alessandro Drago dell’università di Ferrara, associato Infn e co-autore dello studio

     27/04/2021
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Il 14 agosto di due anni fa gli interferometri per onde gravitazionali Ligo e Virgo hanno annunciato la rilevazione di Gw 190814, un segnale di onde gravitazionale prodotto dalla fusione di due oggetti compatti di un sistema binario. L’anno successivo, in un articolo apparso su The Astrophysical Journal Letters, (ne abbiamo parlato anche qui su Media Inaf), la stessa collaborazione annuncia i dettagli dei due oggetti la cui fusione ha generato Gw 190814.

Crediti: Ligo/Caltech/Mit/R. Hurt (Ipac)

Il primo membro della coppia, secondo lo studio, era un buco nero di 23 masse solari. Il secondo, invece, era un oggetto compatto di circa 2.6 masse solari la cui natura è però ancora avvolta nel mistero. Il motivo è che la sua massa ricade in quello che gli astronomi chiamano gap di massa: un intervallo compreso tra 2.5 e 5 masse solari in cui non è mai stata osservata una stella di neutroni o un buco nero, i due papabili corpi candidati a formare l’altro componente del duetto che ha generato il segnale. La stella di neutroni più pesante a oggi conosciuta non supera infatti le 2.5 masse solari, e il buco nero più leggero conosciuto è di circa 5 masse solari. Da qui l’ipotesi che il compagno di piccola massa che si è fuso con il buco nero da 23 masse solari, producendo un buco nero di circa 25 volte la massa del Sole, sia stato o la stella di neutroni più pesante o il buco nero più leggero che si conoscano.

Secondo uno studio pubblicato la settimana scorsa su Physical Review Letters, questo componente della coppia in questione potrebbe tuttavia non essere né l’uno né l’altro oggetto. O meglio, potrebbe essere una sorta di stella di neutroni “modificata”, un corpo celeste chiamato stella di quark. Quark strani, per la precisione. Per saperne di più, Media Inaf ha raggiunto Alessandro Drago dell’Università di Ferrara, associato all’Infn e co-autore dello studio insieme a Ignazio Bombaci (Università di Pisa e Infn di Pisa), Domenico Logoteta (Università di Pisa e Infn di Pisa), Giuseppe Pagliara (Università di Ferrara e Infn di Ferrara) e Isaac Vidaña (Infn di Catania).

Professore, iniziamo dal principio: da dove nasce il problema del cosiddetto ‘gap di massa’ quando si parla di stelle di neutroni o buchi neri in un sistema binario compatto?

«La massa massima di una stella di neutroni (o di una stella di quark) è fissata dalle interazioni fra i costituenti, ovvero dalla fisica nucleare. Ci sono limiti invalicabili, legati ad esempio al principio di causalità, che impediscono di avere masse superiori a circa 3 masse solari, ma modelli realistici per l’interazione nucleare suggeriscono limiti ancora più stringenti. Per questo motivo fino a poco tempo fa si riteneva improbabile l’esistenza di stelle di neutroni con massa molto superiore a 2 masse solari. Analogamente è difficile immaginare processi astrofisici che portino alla formazione di buchi neri molto leggeri, poiché i buchi neri di poche masse solari sono prodotti in esplosioni di supernova che non hanno avuto successo, e in quei casi la quantità di materiale che ricasca sull’oggetto centrale è piuttosto grande e tende a formare buchi neri di più di cinque masse solari. Un modo per formare buchi neri di circa 3 masse solari potrebbe basarsi sulla fusione di due stelle di neutroni “leggere”. Il rate di questo tipo di eventi non è però ancora stato studiato».

Alessandro Drago, professore presso l’Università di Ferrara, al Dipartimento di fisica e scienze della Terra, e associato all’Infn sezione di Ferrara

Nel vostro studio avete investigato la possibilità che l’oggetto meno massivo del sistema binario che ha prodotto il segnale Gw 190814 sia una stella di quark strani. Cosa sono questi corpi? 

«Le stelle di quark strani si basano strettamente sulla validità della cosiddetta ipotesi di Witten riguardante la stabilità della materia strana. Questa ipotesi suggerisce che la fase più stabile della materia non sia il ferro, ma una miscela di quark up, down e strani (i quark strani non sono presenti nella materia ordinaria). La materia ordinaria non decade in questo stato più stabile, poiché il processo richiede molte transizioni deboli simultanee e ha quindi una scala temporale molto superiore all’età dell’universo. Però la materia strana può formarsi alle densità estreme raggiunte nelle stelle compatte. Una stella di quark strani è costituita in modo pressoché integrale da quark deconfinati, con l’eccezione di una possibile crosta di materia ordinaria simile alla cosiddetta “crosta esterna” delle stelle di neutroni ordinarie. Una stella di quark si può formare quando la densità al centro di una stella di neutroni supera un valore di soglia oltre il quale molti iperoni (adroni contenenti quark strani) si formano al centro della stella di neutroni. A quel punto il processo di deconfinamento può iniziare e può trasformare l’intera stella di neutroni in una stella di quark in pochi secondi. Ci sono tre principali modi di formare una stella di quark: per accrescimento di massa da una compagna, per merger di due stelle più leggere o per esplosione di un progenitore di grande massa tramite un meccanismo che faciliti l’esplosione utilizzando l’energia associata al deconfinamento dei quark».

Sono stelle che “brillano”?

«Le loro proprietà elettromagnetiche non sono ancora state studiate in dettaglio, ma sicuramente non sono molto diverse da quelle delle stelle di neutroni ordinarie: in particolare possono emettere raggi X e possono ospitare forti campi magnetici e quindi emettere onde radio».

Potrebbero avere pianeti che gli orbitano attorno, magari abitabili?

«È piuttosto difficile per le stelle di neutroni e analogamente per le stelle di quark avere pianeti, poiché sono formate tramite esplosioni di supernova che molto facilmente possono distruggerli. Come noto sono però stati osservati alcuni pianeti intorno alle stelle di neutroni e quindi potrebbero esistere anche intorno alle stelle di quark strani. Escluderei che possano essere abitabili per le condizioni estreme associate alla formazione delle stelle compatte».

Perché avete chiamato in causa proprio le stelle di quark?

«È difficile ottenere una stella di neutroni di massa 2.5-2.6 masse solari senza violare alcuni limiti della fisica nucleare o alcune precedenti osservazioni astrofisiche. Questo problema è stato notato in diversi articoli, ad esempio in uno studio di F. Fattoyev et al. pubblicato nel 2020 su Physical Review C. Il motivo principale è che per supportare masse così grandi la materia nucleare dovrebbe essere estremamente rigida, ma esperimenti di collisioni fra ioni pesanti e i limiti posti dallo studio di Gw 170817 sono difficilmente conciliabili con tali richieste. Inoltre stelle di neutroni così rigide escluderebbero la possibilità di avere raggi significativamente inferiori a circa 12 km per stelle di massa intorno a 1.4-1.5 masse solari (D. A. Godzieba et al., 2021), come invece suggerito da alcune analisi osservative (ad esempio ApJ 887 (2019) 1, 48). L’esistenza simultanea di stelle di neutroni e di stelle di quark strani aggira questi problemi, poiché le stelle di quark possono facilmente raggiungere masse grandi (la materia costituita esclusivamente da quark deconfinati non è affatto soffice, vedi ad esempio A. Kurkela et al., 2010) e nel contempo le stelle costituite da neutroni possono avere raggi anche molto inferiori a 12 km, soddisfacendo limiti di laboratorio ed osservativi».

Nel vostro studio a quali risultati siete giunti?

«Nello schema da noi studiato, in cui stelle di neutroni coesistono con stelle di quark strani, abbiamo individuato alcune specifiche segnature dell’esistenza delle stelle strane, ad esempio nei processi di fusione di due stelle compatte. La nostra predizione è di un numero significativamente inferiore di processi di merger che portino al cosiddetto segnale di kilonova rispetto al caso in cui esistano solo stelle di neutroni. In generale la fenomenologia dei processi di merger descritta nel nostro scenario è piuttosto diversa da quella in cui esistono solo stelle di neutroni e potrà essere testata facilmente tramite osservazioni multi-messenger (A. Drago e G. Pagliara, 2018 e R. De Pietri et al., 2019). Val la pena di notare che ci sono evidenze osservative che la distribuzione delle masse delle stelle di “neutroni” sia bimodale, con un primo picco a circa 1.4 masse solari ed un secondo picco a circa 1.8 masse solari (Tauris et al. 2017). Questa divisione corrisponde molto bene a quanto ipotizzato nello schema da noi studiato in cui stelle di neutroni con masse inferiori a circa 1.6 masse solari e raggi piuttosto piccoli coesistono con stelle di quark strani aventi masse più grandi e raggi che possono raggiungere 13-14 km».

Quali sono dunque, secondo la vostra ipotesi, i possibili percorsi che hanno portato alla formazione di una stella di quark strani nella fusione che ha prodotto Gw 190814?

«Ci sono due possibilità: la stella di quark strani potrebbe essere stata formata dalla fusione di due stelle di neutroni di massa inferiore oppure potrebbe essere stata prodotta in una esplosione di supernova in cui il deconfinamento dei quark ha aiutato la stella progenitrice ad esplodere, come discusso in precedenza».

È già stata confermata l’esistenza di stelle simili? In caso contrario, come potrebbero esserlo?

«L’esistenza delle stelle di quark strani è per ora un’ipotesi. Una conferma indiretta della loro esistenza potrebbe derivare dall’osservazione di stelle compatte con raggi dell’ordine di 11.5 km o inferiori (che difficilmente sarebbero conciliabili con l’esistenza di stelle di grande massa, nel caso esistano solo stelle di neutroni, mentre potrebbero esistere nel nostro scenario poiché le stelle di neutroni non devono raggiungere grandi masse). Le stelle di quark possono raggiungere masse grandi con raggi grandi. Da questo punto di vista è molto interessante il recentissimo annuncio della Nasa che una stella di massa circa 2.1 volte quella del Sole avrebbe raggi dell’ordine di 12.4-13.7 km. Quei dati sono perfettamente consistenti con l’ipotesi che l’oggetto in questione sia una stella di quark».

Una questione aperta e molto interessante è se la materia oscura possa essere costituita almeno in parte da materia strana. Cosa ne pensa?

«Questa ipotesi era stata già avanzata nell’articolo di Witten del 1984 e continua ad essere valida (S. Burdin et al., 2015; D.M. Jacobs et al., 2015). Recentemente, insieme a Marco Casolino dell’Infn di Tor Vergata, abbiamo proposto di testare l’esistenza di grumi di materia strana tramite una rete di sismografi lunari, che potrebbero rivelare l’impatto di questi grumi in un ambiente molto più “silenzioso” della superficie terrestre».


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