L’età d’oro della fisica delle stelle di neutroni è arrivata

Quando una stella massiccia muore in una supernova, l’esplosione è solo l’inizio della fine. La maggior parte della materia stellare viene lanciata in lungo e in largo, ma il cuore pieno di ferro della stella rimane indietro. Questo nucleo racchiude la massa di due Soli e si restringe rapidamente a una sfera che si estenderebbe per tutta la lunghezza di Manhattan. Schiacciare la pressione interna-abbastanza per spremere il Monte Everest alle dimensioni di una zolletta di zucchero — fonde protoni ed elettroni subatomici in neutroni.

Gli astronomi sanno molto di come nascono le stelle di neutroni., Eppure esattamente ciò che accade dopo, all’interno di questi nuclei ultra-densi, rimane un mistero. Alcuni ricercatori teorizzano che i neutroni potrebbero dominare fino al centro. Altri ipotizzano che l’incredibile pressione compatta il materiale in particelle più esotiche o stati che si schiacciano e si deformano in modi insoliti.

Ora, dopo decenni di speculazioni, i ricercatori si stanno avvicinando a risolvere l’enigma, in parte grazie a uno strumento sulla Stazione Spaziale Internazionale chiamato Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER).,

Lo scorso dicembre, questo osservatorio spaziale della NASA ha fornito agli astronomi alcune delle misurazioni più precise mai fatte della massa e del raggio di una stella di neutroni1,2, oltre a scoperte inaspettate sul suo campo magnetico1,3. Il team più bello prevede di rilasciare risultati su più stelle nei prossimi mesi. Altri dati stanno arrivando da osservatori di onde gravitazionali, che possono guardare le stelle di neutroni contorcersi mentre si schiantano insieme. Con queste osservazioni combinate, i ricercatori sono pronti a zero su ciò che riempie le viscere di una stella di neutroni.,

Per molti sul campo, questi risultati segnano un punto di svolta nello studio di alcuni degli oggetti più sconcertanti dell’Universo. ” Questa sta iniziando ad essere un’età d’oro della fisica delle stelle di neutroni”, afferma Jürgen Schaffner-Bielich, fisico teorico dell’Università Goethe di Francoforte, in Germania.

Lanciato nel 2017 a bordo di un razzo SpaceX Falcon 9, il telescopio NICER da 62 milioni di dollari si trova fuori dalla stazione spaziale e raccoglie i raggi X provenienti dalle pulsar-stelle di neutroni rotanti che irradiano particelle cariche ed energia in enormi colonne che si muovono come raggi da un faro., I raggi X provengono da punti caldi di milioni di gradi sulla superficie di una pulsar, dove un potente campo magnetico strappa le particelle cariche dall’esterno e le sbatte verso il polo magnetico opposto.

NICER rileva questi raggi X utilizzando 56 telescopi rivestiti d’oro, e il tempo-timbra il loro arrivo entro 100 nanosecondi. Con questa capacità, i ricercatori possono monitorare con precisione hotspot come una stella di neutroni fruste intorno a fino a 1.000 volte al secondo. Gli hotspot sono visibili mentre oscillano sull’oggetto., Ma le stelle di neutroni deformano lo spazio-tempo in modo così forte che NICER rileva anche la luce dai punti caldi rivolti lontano dalla Terra. La teoria generale della relatività di Einstein fornisce un modo per calcolare il rapporto massa-raggio di una stella attraverso la quantità di curvatura della luce. Questa e altre osservazioni consentono agli astrofisici di determinare le masse e i raggi delle stelle decedute. Queste due proprietà potrebbero aiutare a determinare ciò che sta accadendo nei core.

Mistero profondo e oscuro

Le stelle di neutroni diventano più complicate più profonde., Sotto una sottile atmosfera fatta per lo più di idrogeno ed elio, si pensa che i resti stellari vantino una crosta esterna spessa appena un centimetro o due che contiene nuclei atomici ed elettroni liberi. I ricercatori pensano che gli elementi ionizzati si impacchettano insieme nello strato successivo, creando un reticolo nella crosta interna. Ancora più in basso, la pressione è così intensa che quasi tutti i protoni si combinano con gli elettroni per trasformarsi in neutroni, ma ciò che accade al di là di ciò è al massimo torbido (vedi “Materia densa”).,

“Una cosa è conoscere gli ingredienti”, dice Jocelyn Read, astrofisica della California State University di Fullerton. “È un altro capire la ricetta e come questi ingredienti interagiranno tra loro.”

I fisici hanno qualche idea di ciò che accade, grazie agli acceleratori di particelle sulla Terra., Presso strutture come Brookhaven National Laboratory di Upton, New York, e Large Hadron Collider del CERN vicino a Ginevra, in Svizzera, i ricercatori hanno fracassato insieme ioni pesanti, come quelli di piombo e oro, per creare brevi collezioni di materiale monumentalmente denso. Ma questi esperimenti cinetici generano lampi di miliardi o addirittura trilioni di gradi, in cui protoni e neutroni si dissolvono in una zuppa dei loro quark e gluoni costituenti. Gli strumenti terrestri hanno difficoltà a sondare le condizioni relativamente miti di milioni di gradi all’interno delle stelle di neutroni.,

Ci sono più idee su ciò che potrebbe accadere. Potrebbe essere che quark e gluoni vagano liberamente. Oppure, le energie estreme potrebbero portare alla creazione di particelle chiamate iperoni. Come i neutroni, queste particelle contengono tre quark. Ma mentre i neutroni contengono i quark più basilari e a bassa energia, noti come quark su e giù, un iperone ne ha almeno uno sostituito con un quark esotico “strano”. Un’altra possibilità è che il centro di una stella di neutroni sia un condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia in cui tutte le particelle subatomiche agiscono come una singola entità quantomeccanica., E i teorici hanno sognato anche prospettive ancora più stravaganti.

Fondamentalmente, ogni possibilità spingerebbe indietro in modo caratteristico contro la gravità colossale di una stella di neutroni. Genererebbero diverse pressioni interne e quindi un raggio più grande o più piccolo per una data massa. Una stella di neutroni con un centro di condensazione di Bose-Einstein, per esempio, è probabile che abbia un raggio più piccolo di uno fatto da materiale ordinario come i neutroni. Uno con un nucleo fatto di materia iperonica flessibile potrebbe avere un raggio più piccolo ancora.,

“I tipi di particelle e le forze tra loro influenzano quanto sia morbido o squashy il materiale”, afferma Anna Watts, un membro del team di NICER presso l’Università di Amsterdam.

La differenziazione tra i modelli richiederà misurazioni precise della dimensione e della massa delle stelle di neutroni, ma i ricercatori non sono ancora stati in grado di spingere le loro tecniche a livelli abbastanza fini per dire quale possibilità è più probabile. In genere stimano le masse osservando stelle di neutroni in coppie binarie., Mentre gli oggetti orbitano l’un l’altro, si tirano gravitazionalmente l’uno sull’altro, e gli astronomi possono usare questo per determinare le loro masse. Circa 35 stelle hanno avuto le loro masse misurate in questo modo, anche se le cifre possono contenere barre di errore fino a una massa solare. Anche una dozzina di raggi sono stati calcolati, ma in molti casi le tecniche non sono in grado di determinare questo valore meglio di pochi chilometri, fino a un quinto delle dimensioni di una stella di neutroni.,

Il metodo hotspot di NICER è stato utilizzato dall’osservatorio a raggi X XMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea, lanciato nel 1999 ed ancora in funzione. NICER è quattro volte più sensibile e ha centinaia di volte migliore risoluzione temporale rispetto al XMM-Newton. Nei prossimi due o tre anni, il team si aspetta di essere in grado di utilizzare NICER per calcolare le masse e i raggi di un’altra mezza dozzina di obiettivi, riducendo i loro raggi a mezzo chilometro., Con questa precisione, il gruppo sarà ben posizionato per iniziare a tracciare ciò che è noto come l’equazione di stato della stella di neutroni, che mette in relazione la massa con il raggio o, equivalentemente, la pressione interna con la densità.

Se gli scienziati sono particolarmente fortunati e la natura sembra servire dati particolarmente buoni, NICER potrebbe aiutare a eliminare alcune versioni di questa equazione. Ma la maggior parte dei fisici pensa che, da solo, l’osservatorio probabilmente restringerà piuttosto che escludere completamente i modelli di ciò che accade nei nuclei degli oggetti misteriosi.,

“Questo sarebbe ancora un enorme progresso su dove siamo ora”, afferma Watts.

Linee di campo

Il primo obiettivo di NICER era J0030+0451, una pulsar isolata che gira circa 200 volte al secondo e si trova a 337 parsec (1.100 anni luce) dalla Terra, nella costellazione dei Pesci.

Due gruppi — uno basato principalmente presso l’Università di Amsterdam1 e un altro guidato da ricercatori dell’Università del Maryland a College Park2 — hanno passato al setaccio separatamente 850 ore di osservazioni, fungendo da controlli l’uno sull’altro.,

Poiché le curve di luce hotspot sono così complesse, i gruppi avevano bisogno di supercomputer per modellare varie configurazioni e capire quali meglio si adattano ai dati. Ma entrambi hanno ottenuto risultati simili, scoprendo che J0030 ha una massa che è 1,3 o 1,4 volte quella del Sole e un raggio di circa 13 chilometri.,

Questi risultati non sono definitivi: potrebbero essere usati per supportare le previsioni mondane o ultraterrene per ciò che è dentro le viscere delle stelle di neutroni. ” Non c’è ancora alcun requisito per qualcosa di funky o pazzo o esotico”, afferma Andrew Steiner, un astrofisico nucleare presso l’Università del Tennessee, Knoxville.

I ricercatori hanno ottenuto una sorpresa più grande con i risultati sulla forma e la posizione degli hotspot., La vista canonica delle stelle di neutroni ha le loro linee di campo magnetico simili a quelle che circondano un magnete a barre, con i lati nord e sud che emergono da macchie circolari alle estremità opposte della stella. Al contrario, le simulazioni dei supercomputer olandesi implicavano che entrambi gli hotspot di J0030 si trovano nel suo emisfero meridionale e che uno di essi è lungo e a forma di mezzaluna 1. Il team del Maryland ha anche proposto la possibilità di una soluzione a tre hotspot: due di forma ovale meridionale e un cerchio finale vicino al polo sud di rotazione3.,

“Sembra che potrebbero aver fatto il primo vero rilevamento di una pulsar in cui i raggi non sono separati di 180 gradi”, afferma Natalie Webb, astrofisica presso l’Istituto di ricerca in astrofisica e Planetologia di Tolosa, in Francia, che ha modellato tali possibilità. “È fantastico se è vero.”

I risultati rafforzerebbero le precedenti osservazioni e teorie che suggeriscono che i campi magnetici delle stelle di neutroni, che sono un trilione di volte più forti di quelli del Sole, possono essere più complessi di quanto generalmente ipotizzato., Dopo la loro prima forma, si pensa che le pulsar rallentino la loro rotazione per milioni di anni. Ma se hanno una stella compagna in orbita attorno a loro, potrebbero rubare materiale e momento angolare da questo partner, aumentando la loro rotazione a velocità superveloci. Mentre la materia si deposita sull’esterno della stella, alcuni teorici suggeriscono che potrebbe influenzare uno strato fluido di neutroni sotterranei, generando giganteschi vortici che torcono il campo magnetico della stella di neutroni in dispari accordi., Il compagno potrebbe infine essere consumato o perdere così tanta massa che diventa gravitazionalmente non legato e vola via, come avrebbe potuto essere il caso con l’ormai solitario J0030.

Work in progress

NICER continua ad osservare J0030 per migliorare ulteriormente la precisione delle sue misurazioni del raggio. Allo stesso tempo, il team sta iniziando ad analizzare i dati di un secondo bersaglio, una pulsar leggermente più pesante con una compagna nana bianca., Altri astronomi hanno usato osservazioni della danza orbitale di questa coppia per determinare la massa della pulsar, il che significa che i ricercatori PIÙ belli hanno una misurazione indipendente che possono usare per convalidare i loro risultati.

Tra gli obiettivi di NICER, il team prevede di includere almeno un paio di pulsar ad alta massa, tra cui l’attuale detentore del record per la stella di neutroni più massiccia-un colosso con una massa 2,14 volte quella del Sole. Ciò dovrebbe consentire ai ricercatori di sondare un limite superiore: il punto in cui una stella di neutroni collassa in un buco nero. Anche l’oggetto di massa solare 2.14 è difficile da spiegare per i teorici. Diversi ricercatori hanno anche suggerito che NICER potrebbe essere in grado di trovare due stelle di neutroni con la stessa massa ma raggi diversi., Ciò suggerirebbe la presenza di un punto di transizione, in cui lievi differenze creano due nuclei distinti. Uno potrebbe contenere per lo più neutroni, per esempio, e l’altro potrebbe essere composto da materiale più esotico.

Anche se più bello è all’avanguardia, non è l’unico strumento idraulico pulsars’ profondità. Nel 2017, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) degli Stati Uniti, insieme al rivelatore Virgo in Italia, ha raccolto il segnale da due stelle di neutroni che si schiantano e si fondono insieme4., Mentre gli oggetti ruotavano l’uno intorno all’altro prima dello schianto, emettevano onde gravitazionali che contenevano informazioni sulle dimensioni e sulla struttura delle stelle. L’influenza gravitazionale colossale di ogni stella ha trascinato e deformato il suo partner, contorcendo entrambe le sfere in forme a goccia. La quantità di distorsione in quei momenti finali fornisce ai fisici indizi sulla malleabilità del materiale all’interno delle stelle di neutroni.

La struttura di LIGO a Livingston, in Louisiana, ha raccolto un secondo smash-up di stelle di neutroni lo scorso aprile e altri eventi potrebbero essere individuati in qualsiasi momento., Finora, le due fusioni hanno solo accennato alle proprietà degli interni delle stelle di neutroni, suggerendo che non sono particolarmente deformabili. Ma l’attuale generazione di strutture non può osservare i momenti finali cruciali, quando la deformazione sarebbe maggiore e mostrerebbe le condizioni interne più chiaramente.

Il rilevatore di onde gravitazionali Kamioka a Hida, in Giappone, dovrebbe venire online entro la fine dell’anno, e l’iniziativa indiana nelle osservazioni di onde gravitazionali vicino a Aundha Naganath, Marathwada, nel 2024., In combinazione con LIGO e Virgo, miglioreranno la sensibilità, potenzialmente catturando anche i dettagli dei momenti che portano a un incidente.

Guardando ulteriormente al futuro, diversi strumenti pianificati potrebbero fare osservazioni che sfuggono a osservatori di onde gravitazionali PIÙ BELLI e attuali. Un satellite cinese-europeo chiamato enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, o eXTP, dovrebbe essere lanciato nel 2027 e studiare stelle di neutroni sia isolate che binarie per aiutare a determinare la loro equazione di stato., I ricercatori hanno anche proposto una missione spaziale che potrebbe volare negli anni 2030 chiamata Spettroscopic Time-Resolving Observatory for Broadband Energy X-rays, o STROBE-X. Userebbe la tecnica hotspot di NICER, fissando le masse e i raggi di almeno altre 20 stelle di neutroni con ancora più precisione.

I cuori delle stelle di neutroni probabilmente conserveranno sempre alcuni segreti. Ma i fisici ora sembrano ben posizionati per iniziare a sbucciare gli strati., Read, che è un membro del team LIGO, afferma di aver collaborato a un progetto per immaginare quali domande scientifiche i rivelatori di onde gravitazionali sarebbero in grado di affrontare negli anni 2030 e 2040. Nel processo, si è resa conto che il panorama per la ricerca di stelle di neutroni-in particolare, la questione dell’equazione di stato-dovrebbe apparire molto diverso da allora.

“E’ stato questo puzzle di lunga data che si figura sarà sempre lì,” lei dice. “Ora siamo a un punto in cui posso vedere la comunità scientifica capire il puzzle della struttura delle stelle di neutroni entro questo decennio.