Oggetti esotici in rapido raffreddamento riscrivono la fisica delle stelle di neutroni

Le stelle di neutroni sono alcuni degli oggetti più densi dell’universo. La materia al suo interno è compressa con tale forza che gli scienziati non sanno ancora che forma assume. Il nucleo di una stella di neutroni può essere costituito da una densa zuppa di quark, oppure può contenere particelle esotiche che non potrebbero vivere in nessun’altra parte dell’universo. Credito immagine: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al., a cura di

Recenti osservazioni effettuate dai telescopi XMM-Newton dell’Agenzia spaziale europea NASAIl telescopio Chandra della NASA ha rivelato tre giovani stelle di neutroni insolitamente fredde, sfidando i modelli attuali mostrando che si stanno raffreddando molto più velocemente del previsto.

Questo risultato ha implicazioni significative, suggerendo che solo alcune delle tante proposte Stella di neutroni Questi modelli sono praticabili e indicano la possibilità di una svolta decisiva nel collegare le teorie della relatività generale e della meccanica quantistica attraverso le osservazioni astrofisiche.

Scoperta di stelle di neutroni insolitamente fredde

L’Osservatorio XMM Newton dell’ESA e l’Osservatorio Chandra della NASA hanno scoperto tre giovani stelle di neutroni insolitamente belle per la loro età. Confrontando le loro proprietà con diversi modelli di stelle di neutroni, gli scienziati hanno concluso che le basse temperature delle stelle strane escludono circa il 75% dei modelli conosciuti. Questo è un grande passo avanti verso la rivelazione dell’“equazione di stato” della singola stella di neutroni che le governa tutte, con importanti implicazioni per le leggi fondamentali dell’universo.

Insieme ai buchi neri, le stelle di neutroni sono alcuni degli oggetti più sconcertanti dell’universo. Una stella di neutroni si forma negli istanti finali della vita di una stella molto grande (più di otto volte la massa del nostro Sole), quando il combustibile nucleare nel suo nucleo prima o poi si esaurisce. In un finale improvviso e violento, gli strati esterni della stella vengono espulsi con tremenda energia in un’esplosione di supernova, lasciando dietro di sé sorprendenti nubi di materiale interstellare ricco di polvere e metalli pesanti. Al centro della nube (nebulosa), il denso nucleo della stella si contrae per formare una stella di neutroni. Un buco nero può formarsi anche quando la massa rimanente del nucleo è maggiore di circa tre masse solari. Copyright: Agenzia spaziale europea

Densità estreme e stati sconosciuti della materia

Dopo i buchi neri di massa stellare, le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi dell’universo. Ogni stella di neutroni è il nucleo compatto di una stella gigante, che rimane dopo l’esplosione della stella in una supernova. Dopo aver esaurito il carburante, il nucleo della stella collassa sotto la forza di gravità mentre i suoi strati esterni vengono scagliati nello spazio.

La materia al centro di una stella di neutroni è così strettamente compressa che gli scienziati non sanno ancora che forma assume. Le stelle di neutroni prendono il nome dal fatto che sotto questa enorme pressione anche gli atomi collassano: gli elettroni si fondono con i nuclei atomici, trasformando i protoni in neutroni. Ma la cosa potrebbe diventare ancora più strana: il calore e la pressione estremi potrebbero stabilizzare particelle più esotiche che non sopravvivono altrove, oppure le particelle potrebbero fondersi insieme in una zuppa vorticosa dei quark che le costituiscono.

In una stella di neutroni (a sinistra), i quark che compongono i neutroni sono confinati all’interno dei neutroni. In una stella di quark (a destra), i quark sono liberi, quindi occupano meno spazio e il diametro della stella è più piccolo. Credito immagine: NASA/XC/M. Weiss

Ciò che accade all’interno di una stella di neutroni è descritto dalla cosiddetta “equazione di stato”, ovvero un modello teorico che descrive i processi fisici che possono verificarsi all’interno di una stella di neutroni. Il problema è che gli scienziati non sanno ancora quale tra le centinaia di possibili modelli di equazioni di stato sia corretto. Mentre il comportamento delle singole stelle di neutroni può dipendere da proprietà come la loro massa o la velocità con cui ruotano, tutte le stelle di neutroni devono aderire alla stessa equazione di stato.

Implicazioni delle osservazioni sul raffreddamento delle stelle di neutroni

Analizzando i dati dell’Osservatorio XMM Newton dell’ESA e dell’Osservatorio Chandra della NASA, gli scienziati hanno scoperto tre stelle di neutroni eccezionalmente giovani e fredde che sono da 10 a 100 volte più fredde delle loro controparti della stessa età. Confrontando le loro proprietà con la velocità di raffreddamento prevista da vari modelli, i ricercatori hanno concluso che la presenza di queste tre stelle esotiche esclude la maggior parte delle equazioni di stato proposte.

“La giovane età e la fredda temperatura superficiale di queste tre stelle di neutroni possono essere spiegate solo invocando un meccanismo di raffreddamento rapido. Poiché il raffreddamento potenziato può essere attivato solo da determinate equazioni di stato, ciò ci consente di escludere gran parte dei possibili modelli ”, spiega il fisico Nanda Rhea, il cui gruppo di ricerca lavora presso l’Istituto di Scienze Spaziali (ICE-CSIC) e l’Istituto di Studi Spaziali della Catalogna (Commissione internazionale per l’energia atomica) ha condotto l’indagine.

Teorie unificanti studiando la stella di neutroni

La scoperta della vera equazione di stato delle stelle di neutroni ha importanti implicazioni anche per le leggi fondamentali dell’universo. È noto che i fisici non sanno ancora come collegare la teoria della relatività generale (che descrive gli effetti della gravità su larga scala) con la meccanica quantistica (che descrive ciò che accade a livello delle particelle). Le stelle di neutroni sono il miglior banco di prova per questo perché hanno una densità e una gravità che superano di gran lunga qualsiasi cosa possiamo creare sulla Terra.

Le stelle di neutroni sono i nuclei compatti delle stelle giganti, che rimangono dopo l’esplosione della stella in una supernova. È così denso che la quantità di materia di una stella di neutroni equivalente a una zolletta di zucchero pesa quanto l’intera popolazione della Terra! Credito immagine: Agenzia spaziale europea

Unire le forze: quattro passi verso la scoperta

Le tre strane stelle di neutroni sono così fredde che sono troppo deboli per essere viste dalla maggior parte degli osservatori a raggi X. “La sensibilità superiore degli osservatori XMM-Newton e Chandra ha reso possibile non solo rilevare queste stelle di neutroni, ma anche raccogliere abbastanza luce per determinarne la temperatura e altre proprietà”, afferma Camille Diez, ricercatrice dell’ESA che lavora sull’XMM. -Dati di Newton.

Tuttavia, misurazioni sensibili sono state solo il primo passo verso la possibilità di trarre conclusioni su cosa significassero queste stranezze per l’equazione di stato delle stelle di neutroni. A tal fine, il gruppo di ricerca di Nanda presso l’ICE-CSIC ha riunito le competenze complementari di Alessio Marino, Clara Dehmann e Konstantinos Kouvlaka.

Alessio è stato un pioniere nella determinazione delle proprietà fisiche delle stelle di neutroni. Il team è riuscito a dedurre la temperatura delle stelle di neutroni dai raggi X inviati dalle loro superfici, mentre le dimensioni e le velocità dei resti di supernova che le circondano hanno fornito un’indicazione accurata della loro età.

Clara ha poi preso l’iniziativa di calcolare le “curve di raffreddamento” per le stelle di neutroni per le equazioni di stato che coinvolgono diversi meccanismi di raffreddamento. Ciò implica tracciare ciò che ciascun modello prevede riguardo al modo in cui la luminosità della stella di neutroni – una caratteristica direttamente correlata alla sua temperatura – cambierà nel tempo. La forma di queste curve dipende da molte diverse proprietà della stella di neutroni, non tutte possono essere determinate con precisione dalle osservazioni. Per questo motivo, il team ha calcolato le curve di raffreddamento per una gamma di possibili masse di stelle di neutroni e intensità di campo magnetico.

Alla fine, un’analisi statistica condotta da Constantinos ha riunito tutto. Apprendimento automatico Per determinare quanto bene le curve di raffreddamento simulate si adattano alle proprietà delle strane sfere, lo studio ha dimostrato che le equazioni di stato senza un meccanismo di raffreddamento rapido non hanno alcuna possibilità di far corrispondere i dati.

“La ricerca sulle stelle di neutroni attraversa molte discipline scientifiche, dalla fisica delle particelle a… Onde gravitazionali“Il successo di questo lavoro dimostra quanto sia importante il lavoro di squadra per far avanzare la nostra comprensione dell’universo”, conclude Nanda.

Riferimento: “Vincoli sull’equazione di stato della materia densa da stelle di neutroni giovani e fredde isolate” di A. Marino, C. Dehmann, K. Koufelkas, N. Rea, J.A.Pons, D. Vigano, 20 giugno 2024, Astronomia naturale.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y