L’ESA, attraverso l’osservatorio spaziale XMM-Newton, e la NASA, con la missione Chandra, hanno rilevato 3 giovani stelle di neutroni che presentano temperature insolitamente basse rispetto alla loro età. Confrontando le loro proprietà con vari modelli di stelle di neutroni, gli scienziati hanno concluso che le basse temperature di questi corpi celesti escludono circa il 75% dei modelli esistenti. Ciò rappresenta un importante passo avanti verso l’individuazione dell’unica ‘equazione di stato’ delle stelle di neutroni, con implicazioni significative per le leggi fondamentali dell’Universo.
Materia compressa all’estremo
Dopo i buchi neri di massa stellare, le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi dell’Universo. Una stella di neutroni è il nucleo compresso di una stella gigante, rimasto dopo che la stella è esplosa in una supernova. Quando il combustibile della stella si esaurisce, il nucleo implode sotto l’azione della gravità mentre gli strati esterni vengono scagliati nello Spazio.
Nel centro di una stella di neutroni, la materia è compressa così intensamente che gli scienziati non sanno ancora in che forma si presenti. Le stelle di neutroni devono il loro nome al fatto che sotto questa enorme pressione anche gli atomi collassano: gli elettroni si fondono con i nuclei atomici, trasformando i protoni in neutroni. Ma tutto ciò potrebbe diventare ancora più strano, poiché l’estremo calore e la pressione potrebbero stabilizzare particelle più esotiche che non sopravvivono altrove, o possibilmente fondere particelle insieme in una sorta di zuppa vorticosa di quark costituenti.
Troppo fredde
Analizzando i dati delle missioni XMM-Newton e Chandra, gli scienziati hanno scoperto 3 stelle di neutroni eccezionalmente giovani e fredde, con temperature da 10 a 100 volte inferiori rispetto alle loro coetanee. Confrontando le loro proprietà con le velocità di raffreddamento previste dai vari modelli, i ricercatori hanno concluso che l’esistenza di queste 3 eccezioni esclude la maggior parte delle equazioni di stato proposte.
“La giovane età e la bassa 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 alcune equazioni di stato, ciò ci permette di escludere una parte significativa dei modelli possibili,” spiega l’astrofisica 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.
Implicazioni per le leggi fondamentali dell’Universo
Scoprire la vera equazione di stato delle stelle di neutroni ha importanti implicazioni per le leggi fondamentali dell’Universo. I fisici non sanno ancora come unire la teoria della relatività generale (che descrive gli effetti della gravità su larga scala) con la meccanica quantistica (che descrive cosa accade a livello di particelle). Le stelle di neutroni rappresentano il miglior banco di prova per questo, poiché hanno densità e gravità ben oltre qualsiasi cosa possiamo creare sulla Terra.
Passi verso la scoperta
Le tre stelle di neutroni “strane” sono così fredde da risultare troppo deboli per la maggior parte degli osservatori a raggi X. “La straordinaria sensibilità di XMM-Newton e Chandra ha reso possibile non solo rilevare queste stelle di neutroni, ma anche raccogliere abbastanza luce per determinare le loro temperature e altre proprietà,” afferma Camille Diez, ricercatore ESA che lavora sui dati di XMM-Newton.
Tuttavia, le misurazioni sensibili sono state solo il primo passo per poter trarre conclusioni su cosa ciò significhi per l’equazione di stato delle stelle di neutroni. A tal fine, il team di ricerca di Nanda Rea presso ICE-CSIC ha combinato le competenze complementari di Alessio Marino, Clara Dehman e Konstantinos Kovlakas.
Alessio Marino ha guidato la determinazione delle proprietà fisiche delle stelle di neutroni. Il team ha dedotto le temperature delle stelle di neutroni dagli X-ray emessi dalle loro superfici, mentre le dimensioni e le velocità dei resti di supernova circostanti hanno fornito un’indicazione accurata della loro età.
Successivamente, Clara Dehman ha guidato il calcolo delle ‘curve di raffreddamento’ delle stelle di neutroni per equazioni di stato che incorporano diversi meccanismi di raffreddamento. Ciò implica tracciare ciò che ciascun modello prevede riguardo a come cambia la luminosità di una stella di neutroni – una caratteristica direttamente correlata alla sua temperatura – 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 gamma di possibili masse delle stelle di neutroni e intensità del campo magnetico.
Infine, un’analisi statistica guidata da Konstantinos Kovlakas ha unito tutto. Utilizzando il machine learning per determinare quanto bene le curve di raffreddamento simulate si allineano con le proprietà degli “strani” 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 avanzare nella comprensione dell’Universo,” conclude Nanda Rea.
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