Proprietà Fondamentali della Materia Rivelate da Stelle di Neutroni

Proprietà Fondamentali della Materia Rivelate da Stelle di Neutroni

La rilevazione di onde gravitazionali emesse in seguito alla fusione di due stelle di neutroni ha offerto la possibilità di rispondere a questioni fondamentali relative alla struttura della materia. Secondo gli scienziati, alle temperature e densità estremamente elevate proprie della fusione corrisponde una transizione di fase, in cui i neutroni si scindono nei loro costituenti, quark e gluoni. In un nuovo studio pubblicato su Physical Review Letters, due team internazionali di ricercatori riferiscono i loro calcoli relativi a come si potrebbe individuare la firma di una simile transizione di fase nei segnali di onde gravitazionali.

I quark non appaiono mai isolati in natura, ma sono sempre strettamente legati all’interno di protoni e neutroni. Tuttavia le stelle di neutroni hanno un nucleo così denso che può avvenire una transizione da materia composta di neutroni a materia di quark. In particolare, questa transizione di fase sarebbe possibile quando le stelle di neutroni in fusione formano un massiccio oggetto metastabile, con densità che superano quella dei nuclei atomici e con temperature 10.000 volte superiori alla temperatura nel cuore del Sole.

Nell’immagine simulazione di Stelle di Neutroni in fusione realizzata con supercomputer. I vari colori mostrano la densità di massa e la temperatura qualche tempo dopo la fusione. Copyright: C. Breu, L. Rezzolla

La misurazione di onde gravitazionali emesse dalla fusione di stelle di neutroni potrebbe servire per individuare nello spazio simili transizioni di fase, che dovrebbero lasciare una firma caratteristica nel segnale. Il team ha utilizzato moderni supercomputer e vari modelli teorici per calcolare quale impronta cercare. Nel caso la transizione di fase abbia luogo qualche tempo dopo la fusione, piccole quantità di quark appariranno gradualmente nell’oggetto derivante dallo scontro. “Con l’aiuto delle equazioni di Einstein, siamo stati in grado di dimostrare per la prima volta che questo piccolo cambiamento nella struttura produrrà una deviazione nel segnale di onde gravitazionali fino a che la massiccia stella di neutroni appena formata collasserà per formare un buco nero”, spiega Luciano Rezzolla della Goethe University.

Nei modelli a computer sviluppati da Andreas Bauswein della GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung a Darmstadt, una transizione di fase avviene già direttamente dopo la fusione: un nucleo di materia di quark si forma nell’interno dell’oggetto centrale. “Siamo riusciti a dimostrare che in questo caso ci sarà un particolare spostamento nella frequenza del segnale di onde gravitazionali”, spiega Bauswein. “Quindi abbiamo identificato un criterio misurabile per la transizione di fase nelle stelle di neutroni in corso di fusione, che sarà utile in futuro”. Con gli attuali rilevatori di onde gravitazionali non è possibile misurare ogni dettaglio del segnale, che diventerà però misurabile utilizzando la prossima generazione di rilevatori o grazie ad un evento di fusione di stelle di neutroni particolarmente vicino a noi.
[ Barbara ]

Nell’immagine impressione artistica della collisione di due stelle di neutroni
Image Credit: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-02/ha-mns021319.php