La fusione di stelle di neutroni è uno degli eventi più energetici dell’universo. Tali corpi celesti sono i resti incredibilmente densi di stelle collassate, e la loro collisione produce una vastità di segnali osservabili dalla Terra. Nuove simulazioni, realizzate da un team della Penn State e della University of Tennessee, rivelano che la trasformazione di particelle fondamentali, i neutrini, ha effetti sul processo di fusione e sulle emissioni prodotte. Tali particelle interagiscono debolmente con la materia e si presentano in tre “sapori”, o tipologie: elettronico, muonico e tau. In condizioni specifiche, come l’interno di una stella di neutroni, i neutrini possono teoricamente cambiare sapore, modificando così i tipi di particelle con cui interagiscono.
Riportati in articolo pubblicato a fine agosto su Physical Review Letters, si tratta dei primi risultati di simulazioni della trasformazione del sapore dei neutrini nelle fusioni di stelle di neutroni. Risultati, sottolineano gli autori dello studio, che hanno implicazioni sia per le domande di lunga data sull’origine dei metalli e delle terre rare, sia per la comprensione della fisica in ambienti estremi.
«Simulazioni precedenti della fusione di stelle binarie di neutroni non includevano la trasformazione del sapore dei neutrini», ricorda Yi Qiu, dottorando in fisica presso il Penn State Eberly College of Science e primo autore dell’articolo. «Ciò è dovuto in parte al fatto che questo processo avviene su una scala temporale di nanosecondi ed è molto difficile da catturare, e in parte perché, fino a poco tempo fa, non conoscevamo abbastanza la fisica teorica alla base di queste trasformazioni, che esula dal modello standard della fisica. Nelle nostre nuove simulazioni, abbiamo scoperto che l’estensione e la posizione del mescolamento e della trasformazione dei neutrini influiscono sulla materia espulsa dalla fusione, sulla struttura e sulla composizione di ciò che rimane dopo la fusione, il residuo, così come il materiale circostante».
L’immagine mostra la simulazione del residuo della fusione di stelle di neutroni. Crediti: gruppo di ricerca di David Radice / Penn State
Il team ha realizzato da zero una simulazione al computer della fusione di stelle di neutroni, incorporando una varietà di processi fisici, tra cui gravità, relatività generale, idrodinamica e mescolamento dei neutrini. È stata inclusa la trasformazione dei neutrini di tipo elettronico in tipo muonico, ritenuta l’oscillazione più rilevante in questo contesto. Diversi scenari sono stati modellati variando le tempistiche e la posizione del mescolamento, così come la densità del materiale circostante.
I ricercatori hanno scoperto che tutti questi fattori influenzano la composizione e la struttura del residuo della fusione, compreso il tipo e la quantità di elementi prodotti. Durante una collisione, i neutroni possono essere scagliati contro altri atomi presenti nei detriti, che li catturano e possono decadere in elementi più pesanti, come metalli preziosi quali oro e platino, o rare terre.
«Il sapore di un neutrino cambia come esso interagisce con la materia», spiega David Radice, professore associato di astronomia e astrofisica al Penn State Eberly College of Science e secondo autore dell’articolo. «I neutrini di tipo elettronico possono prendere un neutrone, una delle tre componenti fondamentali di un atomo, e trasformarlo nelle altre due, un protone e un elettrone. Ma i neutrini di tipo muonico non possono farlo. Quindi, la conversione dei sapori dei neutrini può modificare quanti neutroni sono disponibili nel sistema, il che influisce direttamente sulla creazione di metalli pesanti e terre rare. Restano ancora molte domande aperte sull’origine cosmica di questi importanti elementi, e abbiamo scoperto che tenere conto del mescolamento dei neutrini potrebbe aumentare la produzione di elementi fino a un fattore 10».
Il mescolamento dei neutrini ha inoltre influenzato la quantità e la composizione della materia espulsa dalla fusione, che a sua volta potrebbe modificare le emissioni rilevabili dalla Terra. Queste comprendono tipicamente onde gravitazionali, increspature nello spazio tempo, oltre a radiazioni elettromagnetiche come raggi X o raggi gamma.
«Nelle nostre simulazioni, il mescolamento dei neutrini ha influenzato le emissioni elettromagnetiche provenienti dalle fusioni di stelle di neutroni, e potenzialmente anche le onde gravitazionali», osserva Radice. «Con rilevatori all’avanguardia come Ligo, Virgo e Kagra e le loro controparti di ultima generazione, come l’osservatorio Cosmic Explorer, che potrebbe entrare in funzione nel prossimo decennio, gli astronomi sono pronti a rilevare onde gravitazionali più frequentemente di quanto sia mai stato possibile finora. Comprendere meglio come queste emissioni vengono generate dalle fusioni di stelle di neutroni ci aiuterà a interpretare le osservazioni future».
Modellare i processi di mescolamento – questa l’analogia proposta dagli autori dello studio – è un po’ come capovolgere un pendolo: inizialmente, molti cambiamenti avvengono su una scala temporale incredibilmente rapida, ma alla fine il pendolo trova un equilibrio stabile. Tuttavia, hanno precisato che gran parte di questi risultati rimangono ipotesi. «C’è ancora molto che non sappiamo sulla fisica teorica di queste trasformazioni dei neutrini», sottolinea infatti Qiu. «Man mano che la fisica teorica delle particelle continua a progredire, possiamo migliorare notevolmente le nostre simulazioni. Ciò che resta incerto è dove e come queste trasformazioni avvengano nelle fusioni di stelle di neutroni. La nostra comprensione attuale suggerisce che sono molto probabili, e le nostre simulazioni mostrano che, se avvengono, possono avere effetti significativi, rendendo importante la loro inclusione nei modelli e nelle analisi future».
Ora che è stata creata l’infrastruttura per queste complesse simulazioni, i ricercatori si attendono che altri gruppi l’utilizzeranno per continuare a esplorare gli effetti del mescolamento di neutrini.
Per saperne di più:
- Leggi il preprint dell’articolo pubblicato su Physical Review Letters “Neutrino Flavor Transformation in Neutron Star Mergers”, di Yi Qiu, David Radice, Sherwood Richers e Maitraya Bhattacharyya