Credito: Goddard Space Flight Center/CI Lab della NASA
Immagina di prendere una stella con il doppio della massa del Sole e schiacciarla fino alle dimensioni di Manhattan. Il risultato sarebbe una stella di neutroni, uno degli oggetti più densi che si trovano ovunque nell’Universo. In effetti, superano la densità di qualsiasi materiale che si trova naturalmente sulla Terra di un fattore di decine di trilioni. Sebbene le stelle di neutroni siano oggetti astrofisici notevoli di per sé, le loro densità estreme potrebbero anche consentire loro di funzionare come laboratori per lo studio di questioni fondamentali della fisica nucleare, in condizioni che non potrebbero mai essere riprodotte sulla Terra.
Le stelle di neutroni sono così dense che un solo cucchiaino da tè avrebbe una massa di circa un trilione di chilogrammi.
A causa di queste condizioni esotiche, gli scienziati ancora non capiscono di cosa siano fatte esattamente le stelle di neutroni, la loro cosiddetta “equazione di stato” (EoS). Determinare questo è uno degli obiettivi principali della moderna ricerca astrofisica. Un nuovo pezzo del puzzle, che limita la gamma di possibilità, è stato scoperto da una coppia di studiosi dell’Institute for Advanced Study (IAS): Carolyn Raithel, John N. Bahcall Fellow presso la School of Natural Sciences; ed Elias Most, membro della scuola e John A. Wheeler Fellow presso[{” attribute=””>Princeton University. Their paper was published recently in The Astrophysical Journal Letters.
Neutron star merger and the gravity waves it produces. Credit: NASA/Goddard Space Flight Center
Ideally, astrophysicists would like to look inside these exotic objects, but they are too small and distant to be imaged with standard telescopes. Researchers instead rely on indirect properties that they can measure—such as the mass and radius of a
Le stelle di neutroni condannate vorticano verso la loro fine in questa animazione. Le onde gravitazionali (archi pallidi) dissipano l’energia orbitale, facendo avvicinare le stelle e fondersi. Quando le stelle si scontrano, alcuni dei detriti vengono espulsi in getti di particelle che si muovono quasi alla velocità della luce, producendo una breve esplosione di raggi gamma (magenta). Oltre ai getti ultraveloci che alimentano i raggi gamma, la fusione genera anche detriti che si muovono più lentamente. Un deflusso guidato dall’accrescimento sul residuo della fusione emette luce ultravioletta (viola) in rapida dissolvenza. Una densa nuvola di detriti caldi strappati dalle stelle di neutroni appena prima della collisione produce luce visibile e infrarossa (da blu-bianca a rossa). Il bagliore UV, ottico e nel vicino infrarosso è indicato collettivamente come kilonova. Successivamente, una volta che i resti del getto diretto verso di noi si sono espansi nella nostra linea di vista, sono stati rilevati i raggi X (blu). Questa animazione rappresenta i fenomeni osservati fino a nove giorni dopo GW170817. Credito:[{” attribute=””>NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab
It was previously expected that f2 would be a reasonable proxy for radius, since—until now—researchers believed that a direct, or “quasi-universal,” correspondence existed between them. However, Raithel and Most have demonstrated that this is not always true. They have shown that determining the EoS is not like solving a simple hypotenuse problem. Instead, it is more akin to calculating the longest side of an irregular triangle, where one also needs a third piece of information: the angle between the two shorter sides. For Raithel and Most, this third piece of information is the “slope of the mass-radius relation,” which encodes information about the EoS at higher densities (and thus more extreme conditions) than the radius alone.
This new finding will allow researchers working with the next generation of gravitational wave observatories (the successors of the currently operating LIGO) to better utilize the data obtained following neutron star mergers. According to Raithel, this data could reveal the fundamental constituents of neutron star matter. “Some theoretical predictions suggest that within neutron star cores, phase transitions could be dissolving the neutrons into sub-atomic particles called quarks,” stated Raithel. “This would mean that the stars contain a sea of free quark matter in their interiors. Our work may help tomorrow’s researchers determine whether such phase transitions actually occur.”
Reference: “Characterizing the Breakdown of Quasi-universality in Postmerger Gravitational Waves from Binary Neutron Star Mergers” by Carolyn A. Raithel and Elias R. Most, 13 July 2022, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac7c75