Per decenni, i fisici hanno teorizzato l’esistenza di materia esotica all’interno delle stelle di neutroni: resti di stelle collassate così densi che la gravità schiaccia gli atomi nei loro componenti fondamentali. Ora, una nuova ricerca suggerisce che presto potremmo essere in grado di confermare l’esistenza di questa materia, che esisteva per l’ultima volta poco dopo il Big Bang, analizzando le sottili distorsioni delle onde gravitazionali emesse dalla fusione di stelle di neutroni.
La fisica estrema delle stelle di neutroni
Le stelle di neutroni sono tra gli oggetti più densi dell’universo. Formate quando stelle massicce muoiono nelle esplosioni di supernova, racchiudono la massa del nostro Sole in una sfera delle dimensioni di una città. Questa densità estrema schiaccia insieme protoni ed elettroni, formando neutroni. Ma più in profondità all’interno di questi resti stellari, la gravità potrebbe essere così immensa che persino i neutroni si scompongono nei loro costituenti quark e gluoni, creando uno stato della materia chiamato plasma di quark e gluoni.
Questo plasma è significativo perché è lo stesso stato della materia che esisteva durante i primi istanti dell’universo, frazioni di secondo dopo il Big Bang. Trovarlo all’interno delle stelle di neutroni ci darebbe un laboratorio unico per studiare condizioni impossibili da replicare sulla Terra, tranne che negli acceleratori di particelle.
Come le onde gravitazionali sono la chiave
La chiave per svelare questo mistero sta nell’osservazione di stelle di neutroni binarie – coppie di questi corpi stellari che si muovono a spirale l’uno verso l’altro. Man mano che orbitano più vicini, la loro intensa gravità si deforma a vicenda, generando increspature nello spaziotempo chiamate onde gravitazionali. I ricercatori ora credono che queste onde portino un’impronta nascosta della struttura interna delle stelle di neutroni.
Il team, guidato da Nicolás Yunes dell’Università dell’Illinois e Abhishek Hegade dell’Università di Princeton, ha sviluppato un quadro teorico per decifrare questa impronta. L’idea è che le forze di marea tra le stelle di neutroni causino vibrazioni all’interno dei loro nuclei, come il suono di una campana. La frequenza di queste vibrazioni è incorporata nelle onde gravitazionali.
Superare gli ostacoli teorici
Una delle sfide più importanti è stata quella di tenere conto dell’energia persa attraverso le stesse onde gravitazionali. La fisica newtoniana fornisce una serie completa di modi vibrazionali per gli oggetti, ma la relatività generale complica le cose. Yunes e Hegade risolsero questo problema trattando ciascuna stella di neutroni individualmente, calcolando l’influenza della sua compagna come una forza esterna. Hanno scoperto che suddividendo il problema su scale più piccole, potevano descrivere accuratamente l’intero insieme di modi vibrazionali e la loro impronta sulle onde gravitazionali.
“Abbiamo mostrato due cose importanti”, ha detto Hegade. “In primo luogo, siamo stati in grado di sottrarre la radiazione, scoprendo che i modi di una stella di neutroni formano effettivamente un insieme completo. In secondo luogo, abbiamo scoperto che se si risolve in modo coerente un certo insieme di equazioni utilizzando un campo di marea sufficientemente “liscio”, si ottiene una soluzione per l’interno di una stella, e si possono fare tutte le stesse cose nella relatività generale che nella gravità newtoniana.”
Il futuro della ricerca sulle stelle di neutroni
Sebbene questo lavoro sia attualmente teorico, la prossima generazione di rilevatori di onde gravitazionali, come il Cosmic Explorer e l’Einstein Telescope, potrebbero presto essere abbastanza sensibili da rilevare queste sottili distorsioni. In caso di successo, ciò potrebbe aprire una finestra sulla fisica estrema delle stelle di neutroni e fornire uno sguardo sulle condizioni che hanno modellato l’universo primordiale.
Comprendere l’interno delle stelle di neutroni non è solo una questione di fisica fondamentale. Ci aiuta a perfezionare la nostra comprensione della gravità, della materia a densità estreme e delle origini stesse del nostro universo. I prossimi anni promettono di essere un periodo entusiasmante per questo campo.
