Gli astronomi ottengono la migliore misurazione di sempre delle dimensioni delle stelle di neutroni


Una tipica stella di neutroni con un raggio di undici chilometri è grande circa quanto una città di medie dimensioni.

Un gruppo di ricerca internazionale guidato da membri del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) ha ottenuto nuove misurazioni di quanto siano grandi le stelle di neutroni. Per fare ciò, hanno combinato una descrizione generale dei principi fondamentali del comportamento sconosciuto della materia delle stelle di neutroni con osservazioni multi-strumentali della fusione binaria delle stelle di neutroni GW170817. I loro risultati, apparsi su Nature Astronomy today, sono più rigorosi di un fattore due rispetto ai limiti precedenti e mostrano che una tipica stella di neutroni ha un raggio vicino agli 11 chilometri. Hanno scoperto anche che le stelle di neutroni che si fondono con i buchi neri sono nella maggior parte dei casi suscettibili di essere inghiottite intere, a meno che il buco nero non sia piccolo e/o in rapida rotazione. Ciò significa che mentre tali fusioni potrebbero essere osservabili come sorgenti di onde gravitazionali, esse sarebbero invisibili nello spettro elettromagnetico.

“Le fusioni binarie di stelle di neutroni sono una miniera d’oro di informazioni” dice Collin Capano, ricercatore dell’AEI di Hannover e autore principale dello studio Nature Astronomy. “Le stelle di neutroni contengono la materia più densa dell’universo osservabile. Sono infatti così dense e compatte che si può pensare all’intera stella come a un unico nucleo atomico, ingrandito fino alle dimensioni di una città. Misurando le proprietà di questi oggetti, impariamo la fisica fondamentale che governa la materia a livello subatomico”.

“Troviamo che la tipica stella di neutroni, che è circa 1,4 volte più pesante del nostro Sole, ha un raggio di circa 11 chilometri”, dice Badri Krishnan, che guida il team di ricerca della AEI Hannover. “I nostri risultati limitano il raggio ad un raggio probabilmente compreso tra i 10,4 e gli 11,9 chilometri. Questo è un fattore di due più severi rispetto ai risultati precedenti”.

Le stelle di neutroni sono compatte, resti estremamente densi delle esplosioni di supernove. Hanno all’incirca le dimensioni di una città con una massa fino al doppio di quella del nostro Sole. Non si sa come si comporti la materia ricca di neutroni, estremamente densa, ed è impossibile creare tali condizioni in qualsiasi laboratorio sulla Terra. I fisici hanno proposto vari modelli (equazioni di stato), ma non si sa quale (se esiste) di questi modelli descriva correttamente la materia delle stelle di neutroni in natura.

Le fusioni di stelle di neutroni binarie – come GW170817, che è stata osservata nelle onde gravitazionali e nell’intero spettro elettromagnetico nell’agosto 2017 – sono gli eventi astrofisici più eccitanti quando si tratta di imparare di più sulla materia in condizioni estreme e sulla fisica nucleare sottostante. Da questo, gli scienziati possono a loro volta determinare le proprietà fisiche delle stelle di neutroni, come il loro raggio e la loro massa.

Il team di ricerca ha utilizzato un modello basato su una descrizione dei primi principi di come le particelle subatomiche interagiscono alle alte densità che si trovano all’interno delle stelle di neutroni. Notevolmente, come mostra il team, i calcoli teorici in scala di lunghezza inferiore a un trilionesimo di millimetro possono essere confrontati con le osservazioni di un oggetto astrofisico a più di cento milioni di anni luce di distanza.

“È sbalorditivo”, dice Capano. “L’evento GW170817 è stato causato dalla collisione di due oggetti delle dimensioni di una città circa 120 milioni di anni fa, quando i dinosauri camminavano qui sulla Terra. Questo accadde in una galassia a miliardi di trilioni di chilometri di distanza. Da questo, abbiamo acquisito una conoscenza della fisica subatomica”.

Simulazione di due stelle di neutroni che stanno per fondersi. Le aree a più alta densità sono in arancione, al contrario di quelle blu che hanno una densità più bassa.

La descrizione dei primi principi utilizzata dai ricercatori prevede un’intera famiglia di possibili equazioni di stato per le stelle di neutroni, che sono direttamente derivate dalla fisica nucleare. Da questa famiglia, gli autori hanno selezionato i membri che più probabilmente spiegano le diverse osservazioni astrofisiche; hanno scelto i modelli che concordano con le osservazioni di onde gravitazionali di GW170817 da dati pubblici LIGO e Virgo, che producono una stella di neutroni iper-massiva di breve durata come risultato della fusione, e che sono d’accordo con i vincoli noti sulla massa massima della stella di neutroni, derivanti dalle osservazioni elettromagnetiche della controparte GW170817.

Questo non solo ha permesso ai ricercatori di ricavare informazioni robuste sulla fisica della materia densa, ma anche di ottenere i limiti più rigorosi sulle dimensioni delle stelle di neutroni fino ad oggi.

“Questi risultati sono entusiasmanti, non solo perché siamo stati in grado di migliorare notevolmente le misure dei raggi delle stelle di neutroni, ma perché ci danno una finestra sul destino finale delle stelle di neutroni nella fusione dei binari”, dice Stephanie Brown, coautore della pubblicazione e dottoranda dell’AEI di Hannover. I nuovi risultati implicano che, con un evento come il GW170817, i rivelatori LIGO e Virgo alla sensibilità di progetto saranno in grado di distinguere facilmente, dalle sole onde gravitazionali, se due stelle di neutroni o due buchi neri si sono fusi. Per il GW170817, le osservazioni nello spettro elettromagnetico sono state cruciali per fare questa distinzione.

Il team di ricerca ritiene inoltre che per le binarie miste (una stella di neutroni che si fonde con un buco nero), le sole osservazioni di fusione delle onde gravitazionali avranno difficoltà a distinguere tali eventi dai buchi neri binari. Osservazioni nello spettro elettromagnetico o onde gravitazionali da dopo la fusione sarà fondamentale per distinguerli.

Tuttavia, si scopre che i nuovi risultati implicano anche che le osservazioni multi-messaggero di fusioni binarie miste sono improbabili che accadano.

“Abbiamo dimostrato che in quasi tutti i casi la stella di neutroni non sarà lacerata dal buco nero ma piuttosto inghiottita intera”, spiega Capano. “Solo quando il buco nero è molto piccolo o gira rapidamente, può disturbare la stella di neutroni prima di inghiottirla; e solo allora possiamo aspettarci di vedere qualcosa oltre alle onde gravitazionali”.

Nel prossimo decennio, i rilevatori di onde gravitazionali esistenti diventeranno ancora più sensibili e altri rilevatori inizieranno ad osservare. Il team di ricerca si aspetta un maggior numero di rilevatori di onde gravitazionali molto forti e possibili osservazioni multi-messaggero dalla fusione di stelle di neutroni binarie. Ognuna di queste fusioni fornirebbe meravigliose opportunità per imparare di più sulla stella di neutroni e sulla fisica nucleare.

Fonte