Fissare nuovi limiti all’interno delle stelle di neutroni

Come possiamo capire gli ambienti che non possono essere replicati sulla Terra? Questa è una sfida che gli astrofisici devono affrontare continuamente. In alcuni casi, si tratta in gran parte di capire come applicare la fisica ben nota a condizioni estreme e quindi confrontare l’output di queste equazioni con le osservazioni. Ma l’eccezione degna di nota è la stella di neutroni, dove le equazioni rilevanti diventano piuttosto complicate e le osservazioni non forniscono molti dettagli.

Pertanto, mentre siamo sicuri che ci sia uno strato di neutroni quasi puri vicino alla superficie di questi oggetti, non siamo del tutto sicuri di cosa potrebbe essere presente nella loro profondità più interna.

Questa settimana, Nature pubblica uno studio che tenta di avvicinarci alla comprensione. Non ci dà una risposta – c’è ancora molta incertezza. Ma è una grande opportunità per esaminare il processo in cui gli scienziati possono prendere dati da un’ampia gamma di fonti e iniziare a ridurre queste incertezze.

E i neutroni?

La materia che compone le stelle di neutroni inizia come atomi ionizzati vicino al nucleo di una stella massiccia. Una volta che le reazioni di fusione di una stella smettono di produrre energia sufficiente per contrastare l’attrazione gravitazionale, questo materiale si contrae e subisce pressioni crescenti. La forza di frantumazione è sufficiente per eliminare i confini tra i nuclei atomici, creando una zuppa gigante di protoni e neutroni. Alla fine, anche gli elettroni nella regione sono costretti a formare molti protoni, convertendoli in neutroni.

Questo fornisce infine una forza per comprimere la forza di gravità schiacciante. La meccanica quantistica impedisce ai neutroni di occupare lo stesso stato energetico, in stretta vicinanza, e questo impedisce ai neutroni di avvicinarsi e quindi impedisce il collasso in un buco nero. Ma è possibile che esista uno stato intermedio tra una massa di neutroni e un buco nero, in cui i confini tra i neutroni iniziano a collassare, provocando strani ammassi dei loro quark costituenti.

Questi tipi di interazioni sono soggetti alla forza forte, che lega i quark insieme in protoni e neutroni e quindi lega quei protoni e neutroni in nuclei atomici. Sfortunatamente, i calcoli che coinvolgono una forza estrema sono computazionalmente molto costosi. Di conseguenza, non è possibile farli funzionare con il tipo di energie e densità che si trovano in una stella di neutroni.

Ma questo non significa che siamo bloccati. Abbiamo stime approssimative della forza forte che può essere calcolata alle energie rilevanti. E sebbene questi ci lascino con grandi dubbi, è possibile utilizzare una varietà di prove empiriche per ridurre queste incertezze.

Come guardi una stella di neutroni

Le stelle di neutroni sono incredibilmente compatte per la loro massa, comprimendo una massa maggiore della massa del Sole all’interno di un oggetto largo solo circa 20 km. Il più vicino che conosciamo è distante centinaia di anni luce e la maggior parte è molto più lontano. Quindi, sembra che sia impossibile fare molto con il modo in cui queste cose sono rappresentate, giusto?

Non completamente. Molte stelle di neutroni sono in sistemi con un altro corpo, in alcuni casi una stella di neutroni. Il modo in cui questi due oggetti si influenzano a vicenda sulle orbite può dirci molto sulla massa di una stella di neutroni. La NASA ha anche un osservatorio dedicato alle stelle di neutroni collegato alla Stazione Spaziale Internazionale. NICER (Nutron Star Interior Composition Explorer) utilizza una serie di telescopi a raggi X per ottenere immagini dettagliate delle stelle di neutroni mentre ruotano. Questo le ha permesso di fare cose come rintracciare un file Comportamento dell’hotspot singolo sulla superficie della stella.

E soprattutto per questo lavoro, NICER.can Rilevamento della distorsione spaziotemporale attorno a grandi stelle di neutroni e utilizzarlo per generare una stima ragionevolmente accurata delle loro dimensioni. Se combinato con una stima solida della massa di una stella di neutroni, è possibile calcolare la densità e confrontarla con il tipo di densità che ti aspetteresti da qualcosa che è neutroni puri.

Ma non ci limitiamo solo ai fotoni quando si tratta di valutare la formazione di stelle di neutroni. Negli ultimi anni , fusione di stelle di neutroni Rilevato tramite onde gravitazionali, i dettagli esatti di questo segnale dipendono dalle proprietà delle stelle che si fondono. Pertanto, queste fusioni potrebbero anche aiutare a escludere alcuni potenziali modelli di stelle di neutroni.