LO STUDIO È STATO PUBBLICATO SU THE ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS

Cioccolatini di neutroni

Un gruppo di tre astrofisici della Goethe University di Francoforte ha scoperto che le stelle di neutroni “leggere” sembrano avere un mantello morbido e un nucleo rigido, mentre quelle “pesanti” hanno un mantello rigido e un nucleo morbido. «Si tratta di una soluzione molto ingegnosa che le leggi della fisica hanno trovato per produrre stelle con masse molto grandi», commenta a Media Inaf Luciano Rezzolla

     16/11/2022
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Lo studio della velocità del suono ha rivelato che le stelle di neutroni pesanti hanno un mantello rigido e un nucleo morbido, mentre le stelle di neutroni leggere hanno un mantello morbido e un nucleo rigido, proprio come diverse praline di cioccolato. Crediti: Peter Kiefer & Luciano Rezzolla

Mamma diceva sempre: la vita è come una scatola di cioccolatini, non sai mai quello che ti capita!

La riconoscete questa citazione? Spero di sì. Oggi la uso per introdurre una recente scoperta di un gruppo di fisici della Goethe University di Francoforte, guidati da Luciano Rezzolla dell’Istituto di Fisica Teorica, sulle stelle di neutroni – meraviglie della fisica, come scrive lo stesso Rezzolla nel suo libro edito da Rizzoli “L’irresistibile attrazione della gravità”, di cui Media Inaf ha pubblicato la recensione lo scorso anno.

Sono sfere perfette di densità inimmaginabili, con frequenze di rotazione altissime e temperature e campi magnetici estremamente elevati. Sono tra gli oggetti più affascinanti della fisica, nate dall’ultimo atto della luminosa e frenetica vita di una stella massiccia, nonché dal catastrofico processo che ne rivela la morte: l’esplosione di una supernova.

Pensate che in quasi tutte le stelle di neutroni conosciute, il rilievo più alto non supera il millimetro e in molti casi è ben al di sotto del decimo di millimetro! Sappiamo che sono estremamente compatte – immaginate la massa del Sole compressa in una sfera del diametro di soli 12 chilometri – ma dentro, come sono fatte?

Dalla loro scoperta avvenuta più di 60 anni fa, gli scienziati hanno cercato di capire la loro struttura. La sfida più grande è simulare le condizioni estreme nel loro interno, poiché difficilmente possono essere ricreate sulla Terra, in laboratorio. Esistono quindi molti modelli in cui diverse proprietà – dalla densità alla temperatura – sono descritte con l’aiuto delle cosiddette equazioni di stato. Queste equazioni tentano di descrivere la struttura delle stelle di neutroni dalla superficie stellare al nucleo interno.

Ora i fisici della Goethe University sono riusciti ad aggiungere ulteriori tasselli cruciali al puzzle. Il gruppo ha infatti sviluppato più di un milione di diverse equazioni di stato che soddisfano i vincoli imposti sia dai dati ottenuti dalla fisica nucleare teorica, sia dalle osservazioni astronomiche. E, nel valutare le equazioni di stato, ha fatto una scoperta sorprendente: le stelle di neutroni “leggere” (con masse inferiori a circa 1,7 masse solari) sembrano avere un mantello morbido e un nucleo rigido, mentre le stelle di neutroni “pesanti” (con masse maggiori di 1,7 masse solari) hanno invece un mantello rigido e un nucleo morbido.

«Questo risultato è molto interessante perché ci dà una misura diretta di quanto può essere comprimibile il centro delle stelle di neutroni», spiega Rezzolla. «Le stelle di neutroni apparentemente si comportano un po’ come praline di cioccolato: le stelle leggere assomigliano a quei cioccolatini che hanno un nocciola al centro circondata da morbido cioccolato, mentre le stelle pesanti possono essere considerate più simili a quei cioccolatini in cui uno strato duro contiene un morbido ripieno».

Fondamentale per questa intuizione è stata la velocità del suono, oggetto di studio del Bachelor Sinan Altiparmak, primo autore dell’articolo pubblicato su The Astrophysical Journal Letters. Questa misura quantitativa descrive la velocità con cui le onde sonore si propagano all’interno di un oggetto e dipende da quanto è rigida o morbida la materia. Qui sulla Terra, la velocità del suono viene utilizzata per esplorare l’interno del pianeta e scoprire giacimenti di petrolio.

Modellando le equazioni di stato, i fisici sono stati anche in grado di scoprire altre proprietà precedentemente inspiegabili delle stelle di neutroni. Ad esempio, indipendentemente dalla loro massa, molto probabilmente hanno un raggio di soli 12 chilometri. «Il nostro ampio studio numerico non solo ci consente di fare previsioni per i raggi e le masse massime delle stelle di neutroni, ma anche di stabilire nuovi limiti alla loro deformabilità nei sistemi binari, cioè con quanta forza si distorcono vicendevolmente attraverso i loro campi gravitazionali. Queste intuizioni diventeranno particolarmente importanti per individuare l’equazione di stato sconosciuta con future osservazioni astronomiche e rilevamenti di onde gravitazionali da fusione di stelle», afferma Christian Ecker.

Luciano Rezzolla, astrofisico della Goethe University di Francoforte e principal investigator di BlackHoleCam

«Ovviamente siamo ancora lontani dal sapere quale sia la struttura delle stelle di neutroni e cosa si celi al loro interno. È tuttavia molto confortante sapere che adesso abbiamo un’idea molto più precisa di come la struttura dipenda dalla massa e che quando questa cresce le stelle debbano crearsi una specie di corazza nelle parti esterne (il mantello) molto più rigida del nucleo centrale che è invece più soffice. E tutto per evitare che la gravità enorme le faccia collassare ad un buco nero. Si tratta quindi di una soluzione molto ingegnosa che leggi della fisica hanno trovato per produrre stelle con massa molto grande», conclude Rezzolla.

Quindi, mentre l’esatta struttura e composizione della materia all’interno delle stelle di neutroni continua a rimanere un mistero, l’attesa fino alla sua scoperta può certamente essere addolcita con un cioccolatino o due, del primo tipo o del secondo, ritornando col pensiero a queste meraviglie della fisica.

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