Le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi dell'Universo, più grandi del Sole in massa, ma condensati in una sfera relativamente piccola.
Quanto sono grandi le stelle di neutroni? Le stime precedenti del raggio variavano da otto a sedici chilometri. Gli astrofisici dell'Università Goethe di Francoforte (Germania) sono stati in grado di determinare la dimensione delle stelle di neutroni entro 1,5 chilometri utilizzando un sofisticato approccio statistico basato sulla misurazione delle onde gravitazionali. Il rapporto dei ricercatori è presentato in Physical Review Letters.
Le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi dell'Universo, con una massa maggiore del Sole, ma condensata in una sfera relativamente piccola. Per più di 40 anni, dimensionare le stelle di neutroni è stato il Santo Graal della fisica nucleare, una scoperta della quale fornirà importanti informazioni sul comportamento fondamentale delle densità nucleari.
I dati sulla rilevazione delle onde gravitazionali da una fusione di stelle di neutroni (GW170817) danno un importante contributo alla risoluzione di questo enigma. Alla fine del 2017, il professor Luciano Rezzolla, insieme ai suoi studenti Elias Most e Lucas Weich, li ha già utilizzati per rispondere a una domanda di vecchia data sulla massa massima che le stelle di neutroni possono avere prima di collassare in un buco nero. Dopo il primo importante risultato, lo stesso team, con l'aiuto del professor Jurgen Schaffner-Belich, si è messo a fissare limiti più stringenti alla dimensione delle stelle di neutroni.
Una rappresentazione artistica della collisione di stelle di neutroni che ha generato onde gravitazionali. Credito: Carnegie Institution for Science.
La conclusione è che l'equazione di stato che descrive la materia all'interno delle stelle di neutroni è sconosciuta. I fisici hanno scelto metodi statistici per determinare la dimensione delle stelle di neutroni entro limiti ristretti. Hanno calcolato oltre due miliardi di modelli teorici risolvendo l'equazione di Einstein per loro e hanno combinato questo ampio set di dati con i vincoli del rilevamento delle onde gravitazionali da parte di GW170817.
Di conseguenza, i ricercatori hanno determinato il raggio di una tipica stella di neutroni con una differenza di 1,5 chilometri: varia da 12 a 13,5 chilometri, che può essere ulteriormente perfezionato da future rilevazioni di onde gravitazionali.
"Tuttavia, il problema potrebbe aver avuto più di una soluzione", commenta Jurgen Schaffner-Belich. È possibile che a densità elevatissime la sostanza cambi drasticamente le sue proprietà e si avvicini alla cosiddetta "transizione di fase". Questo è simile a ciò che accade all'acqua quando si congela e passa da liquido a solido. Nel caso delle stelle di neutroni, questa transizione presumibilmente converte la materia ordinaria in materia "quark", creando stelle che avranno la stessa massa della loro "gemella", la stella di neutroni, ma sono molto più piccole e quindi anche più compatte.
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Sebbene non ci siano prove della loro esistenza, potrebbero essere una soluzione plausibile, ei ricercatori di Francoforte hanno tenuto conto di questa possibilità, nonostante ulteriori complicazioni. Lo sforzo è stato ripagato: le stelle gemelle erano statisticamente improbabili. Questa è una scoperta importante che ora consente agli scienziati di escludere potenzialmente l'esistenza di questi oggetti molto compatti. Le future osservazioni delle onde gravitazionali riveleranno se le stelle di neutroni hanno gemelli esotici.
