La sonda XMM-Newton dell’ESA e la sonda Chandra della NASA hanno individuato tre giovani stelle di neutroni insolitamente fredde per la loro età. Confrontando le loro proprietà con diversi modelli di stelle di neutroni, gli scienziati hanno concluso che le basse temperature di queste strane stelle squalificano circa il 75% dei modelli conosciuti. Si tratta di un grande passo avanti verso la scoperta dell'”equazione di stato” di una stella di neutroni che le regola tutte, con importanti implicazioni per le leggi fondamentali dell’Universo.
Materia spremuta fino all’estremo
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 compresso di una stella gigante, rimasto dopo l’esplosione della stella in una supernova. Dopo aver esaurito il combustibile, il nucleo della stella implode sotto la forza di gravità, mentre gli strati esterni vengono espulsi nello spazio.
La materia al centro di una stella di neutroni è schiacciata così forte che gli scienziati non sanno ancora quale forma assuma. Il nome delle stelle di neutroni deriva dal fatto che, sotto questa immensa pressione, anche gli atomi collassano: gli elettroni si fondono con i nuclei atomici, trasformando i protoni in neutroni. Ma la situazione potrebbe essere ancora più strana: il calore e la pressione estremi potrebbero stabilizzare particelle più esotiche che non sopravvivono in nessun altro luogo, o forse fondere insieme le particelle in una zuppa vorticosa dei loro quark costitutivi.
Ciò che accade all’interno di una stella di neutroni è descritto dalla cosiddetta “equazione di stato”, un modello teorico che descrive quali processi fisici possono verificarsi all’interno di una stella di neutroni. Il problema è che gli scienziati non sanno ancora quale delle centinaia di possibili modelli di equazione di stato sia corretto. Mentre il comportamento delle singole stelle di neutroni può dipendere da proprietà come la loro massa o la velocità di rotazione, tutte le stelle di neutroni devono obbedire alla stessa equazione di stato.
Troppo fredde
Scavando nei dati delle missioni XMM-Newton dell’ESA e Chandra della NASA, gli scienziati hanno scoperto tre stelle di neutroni eccezionalmente giovani e fredde, da 10 a 100 volte più fredde delle loro coetanee. Confrontando le loro proprietà con i tassi di raffreddamento previsti da diversi modelli, i ricercatori concludono che l’esistenza di queste tre stranezze 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 rapido può essere attivato solo da alcune equazioni di stato, questo ci permette di escludere una parte significativa dei modelli possibili”, spiega l’astrofisico Nanda Rea, il cui gruppo di ricerca presso l’Istituto di Scienze Spaziali (ICE-CSIC) e l’Istituto di Studi Spaziali della Catalogna (IEEC) ha guidato l’indagine.
Le stranezze del raffreddamento rapido riscrivono la fisica delle stelle di neutroni.
Scoprire la vera equazione di stato delle stelle di neutroni ha anche importanti implicazioni per le leggi fondamentali dell’Universo. I fisici notoriamente non sanno ancora come mettere insieme la teoria della relatività generale (che descrive gli effetti della gravità su grandi scale) con la meccanica quantistica (che descrive ciò che accade a livello di particelle). Le stelle di neutroni sono il miglior terreno di prova per questo, poiché hanno densità e gravitazione ben al di là di quanto possiamo creare sulla Terra.
Unire le forze: quattro passi verso la scoperta
Il fatto che le tre strane stelle di neutroni siano così fredde le rende troppo poco visibili per la maggior parte degli osservatori a raggi X. “La superba sensibilità di XMM-Newton e Chandra ha permesso non solo di rilevare queste stelle di neutroni, ma anche di raccogliere una quantità di luce sufficiente a determinare le loro temperature e altre proprietà“, spiega Camille Diez, ricercatrice dell’ESA che lavora sui dati di XMM-Newton.
Tuttavia, le misurazioni sensibili sono state solo il primo passo per poter trarre conclusioni sul significato di queste stranezze per l’equazione di stato delle stelle di neutroni. A tal fine, il team di ricerca di Nanda all’ICE-CSIC ha combinato le competenze complementari di Alessio Marino, Clara Dehman e Konstantinos Kovlakas.
Alessio ha guidato la determinazione delle proprietà fisiche delle stelle di neutroni. Il team ha potuto dedurre le temperature delle stelle di neutroni dai raggi X inviati dalle loro superfici, mentre le dimensioni e le velocità dei resti di supernova circostanti hanno fornito un’indicazione precisa della loro età.
Successivamente, Clara ha preso l’iniziativa di calcolare le “curve di raffreddamento” delle stelle di neutroni per le equazioni di stato che incorporano diversi meccanismi di raffreddamento. Ciò significa tracciare ciò che ciascun modello prevede per il modo in cui la luminosità di una stella di neutroni – una caratteristica direttamente correlata alla sua temperatura – cambia nel tempo. La forma di queste curve dipende da diverse proprietà di una stella di neutroni, non tutte determinabili con precisione dalle osservazioni. Per questo motivo, il team ha calcolato le curve di raffreddamento per una serie di possibili masse di stelle di neutroni e intensità di campo magnetico.
Infine, un’analisi statistica guidata da Konstantinos ha riunito il tutto. L’utilizzo dell’apprendimento automatico per determinare quanto le curve di raffreddamento simulate siano in linea con le proprietà delle stelle strane ha mostrato che le equazioni di stato senza un meccanismo di raffreddamento rapido hanno zero possibilità di corrispondere ai dati.
“La ricerca sulle stelle di neutroni attraversa molte discipline scientifiche, dalla fisica delle particelle alle onde gravitazionali. Il successo di questo lavoro dimostra quanto sia fondamentale il lavoro di squadra per far progredire la nostra comprensione dell’Universo“, ha concluso Nanda.
‘Constraints on the dense matter equation of state from young and cold isolated neutron stars’ by Alessio Marino, Clara Dehman, Konstantinos Kovlakas, Nanda Rea, José A. Pons and Daniele Viganòis è stato pubblicato in Nature Astronomy.
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