Astronomia

Le stelle di neutroni hanno un'ergosfera?

Le stelle di neutroni hanno un'ergosfera?

Le ergosfere sono una proprietà dei buchi neri e le stelle di neutroni ce l'hanno? Se sì, perché raramente l'articolo lo menziona; se no, perché le stelle di neutroni non possono avere questa componente ergosfera?


Le stelle di neutroni generalmente non sono abbastanza compatte da avere un'ergosfera. Tipicamente, il raggio di una stella di neutroni è parecchie volte il raggio di Schwarzschild corrispondente alla sua massa. L'ergosfera, tuttavia, inizia nel raggio di Schwarzschild.


Stelle di neutroni e loro somiglianze con i buchi neri

Per gli astrofisici le stelle di neutroni sono oggetti astronomici estremamente complessi. Una ricerca condotta con la collaborazione della SISSA e pubblicata sulla rivista Physical Review Letters dimostra che sotto certi aspetti queste stelle possono invece essere descritte molto semplicemente e che mostrano somiglianze con i buchi neri.

In quanti modi si può descrivere un oggetto? Prendiamo una mela: semplicemente osservandola possiamo stimarne facilmente il peso, la forma e il colore ma non siamo in grado di descriverla a nessun altro livello, ad esempio per valutare la composizione chimica della sua polpa. Qualcosa di simile vale anche per gli oggetti astronomici: fino ad oggi una delle sfide per gli scienziati era quella di descrivere le stelle di neutroni a livello di fisica nucleare. La materia di cui sono composte queste stelle è infatti estremamente complessa, e sono state proposte diverse complicate equazioni di stato. Tuttavia, ad oggi non c'è accordo su quale sia quello corretto (o il migliore). Uno studio teorico condotto dalla SISSA (Scuola Internazionale di Studi Avanzati di Trieste), in collaborazione con l'Università di Atene, ha dimostrato che le stelle di neutroni possono essere descritte anche in termini relativamente semplici, osservando la struttura dello spazio-tempo che le circonda.

“Le stelle di neutroni sono oggetti complessi a causa della materia che le compone. Possiamo immaginarli come enormi nuclei atomici con un raggio di una decina di chilometri», spiega Georgios Pappas, primo autore dello studio realizzato alla SISSA. “Una stella di neutroni è ciò che resta del collasso di una stella massiccia: la materia al suo interno è estremamente densa e costituita principalmente da neutroni”.

“La fisica nucleare richiesta per comprendere la natura della materia contenuta in questi oggetti astronomici rende generalmente la loro descrizione molto complicata e difficile da formulare”, continua Pappas. “Quello che abbiamo dimostrato, usando metodi numerici, è che ci sono proprietà che possono fornire una descrizione di alcuni aspetti delle stelle di neutroni e dello spazio-tempo circostante in modo semplice, simile alla descrizione usata per i buchi neri”.

I buchi neri sono oggetti davvero unici: hanno perso tutta la materia e sono fatti solo di spazio e tempo. Proprio come le stelle di neutroni sono il risultato del collasso di una stella più grande (in questo caso molto più grande delle stelle che danno origine alle stelle di neutroni) e nell'implosione tutta la materia è stata spazzata via. "Sono considerati gli oggetti più perfetti dell'Universo e l'espressione "glabra" coniata da John Archibald Wheeler per indicare la loro semplicità è diventata famosa. Secondo i nostri calcoli, anche le stelle di neutroni possono essere rappresentate in modo molto simile».

Gli scienziati usano i "momenti multipolari" come parametri per descrivere gli oggetti. I momenti necessari per descrivere un buco nero sono due, massa e momento angolare (la velocità con cui ruota attorno al proprio asse). Per le stelle di neutroni sono necessari tre momenti: massa, momento angolare e momento di quadrupolo, cioè un coefficiente che descrive la deformazione dell'oggetto prodotta dalla sua rotazione.

“I nostri calcoli hanno rivelato due risultati inaspettati. Innanzitutto, abbiamo scoperto che questi tre parametri sono sufficienti poiché i momenti di livello superiore non sono indipendenti e possono essere derivati ​​dai primi tre", spiega Pappas. "La seconda scoperta sorprendente è che la descrizione basata su questi parametri è indipendente dall'equazione dell'equazione di stato, o meglio: non abbiamo nemmeno bisogno di sapere qual è l'equazione di stato".

In pratica, possiamo avere una descrizione di una stella di neutroni che è indipendente dalla materia che la forma. "Questo ha importanti implicazioni", conclude Pappas. “In effetti, utilizzando i dati raccolti con le osservazioni astrofisiche per esempio, la radiazione emessa da una stella di neutroni, o le informazioni sugli oggetti che gravitano intorno alla stella o altre informazioni, possiamo ricostruire le caratteristiche di una stella di neutroni”.

Pubblicazione: Accettato per la pubblicazione in Physical Review Letters


Perché le stelle di neutroni, non i buchi neri, mostrano il futuro dell'astronomia delle onde gravitazionali?

Nei momenti finali della fusione, due stelle di neutroni non emettono semplicemente onde gravitazionali, ma un . [+] esplosione catastrofica che riecheggia in tutto lo spettro elettromagnetico.

Università di Warwick / Mark Garlick

Il 17 agosto, i segnali di due stelle di neutroni in fusione hanno raggiunto la Terra dopo un viaggio di 130 milioni di anni luce. Dopo una danza di 11 miliardi di anni, questi resti di stelle blu, un tempo massicce, morte nelle supernovae così tanto tempo fa, si sono a spirale l'una nell'altra dopo aver emesso abbastanza radiazioni gravitazionali da veder decadere le loro orbite. Mentre ciascuno si muove attraverso lo spaziotempo mutevole creato dal campo gravitazionale e dal movimento dell'altro, il suo momento cambia, facendo sì che le due masse orbitino l'una intorno all'altra più strettamente nel tempo. Alla fine, si incontrano e, quando lo fanno, subiscono una reazione catastrofica: una kilonova. Per la prima volta abbiamo registrato l'inspirazione e la fusione nel cielo delle onde gravitazionali, notandole in tutti e tre i rivelatori (LIGO Livingston, LIGO Hanford e Virgo), così come nel cielo elettromagnetico, dai raggi gamma fino attraverso l'ottica e nella radio. Finalmente, l'astronomia delle onde gravitazionali è ora parte dell'astronomia.

Dal primissimo sistema binario di stelle di neutroni mai scoperto, sapevamo che la radiazione gravitazionale . [+] stava portando via energia. Era solo questione di tempo prima che trovassimo un sistema nelle fasi finali di ispirazione e fusione.

NASA (sinistra), Istituto Max Planck per la radioastronomia / Michael Kramer

Sapevamo che questo doveva succedere alla fine. Le stelle di neutroni hanno masse molto grandi, stimate ciascuna oltre la massa del Sole, e dimensioni molto piccole. Immaginate un nucleo atomico che non contenesse al suo interno una manciata, qualche dozzina o anche qualche centinaio di protoni e neutroni, ma piuttosto il valore di una stella: 10 57 di essi. Questi incredibili oggetti piombano nello spazio, sempre più velocemente, mentre il tessuto dello spazio stesso si piega e si irradia a causa della loro reciproca presenza. Le pulsar nei sistemi binari si uniscono e, nelle fasi finali dell'inspirazione, la tensione che impongono a un rivelatore anche a cento milioni di anni luce di distanza può essere rilevabile. Abbiamo visto le prove indirette per decenni: il decadimento delle loro orbite reciproche. Ma le prove dirette, ora disponibili, cambiano tutto.

La sollecitazione sui rivelatori, dall'espirazione delle due stelle di neutroni, si vede chiaramente anche . [+] visibilmente dai rilevatori gemelli LIGO. Il rilevatore Vergine meno sensibile fornisce anche informazioni sulla posizione incredibilmente accurate.

BP Abbott et al., PRL 119, 161101 (2017)

Ogni volta che queste onde passano attraverso il rilevatore, provocano una leggera espansione e contrazione dei bracci laser. Poiché il sistema di stelle di neutroni è così completamente prevedibile, decadendo alla velocità prevista dalle equazioni di Einstein, sappiamo esattamente come dovrebbero comportarsi la frequenza e l'ampiezza dell'inspiral. A differenza dei sistemi di buchi neri di massa maggiore, la frequenza di questi sistemi di massa ridotta rientra nell'intervallo rilevabile dei rivelatori LIGO e Virgo per periodi di tempo molto più lunghi. Mentre la stragrande maggioranza delle fusioni buco nero-buco nero è stata registrata nei rivelatori LIGO solo per una frazione di secondo, queste stelle di neutroni, anche a una distanza di oltre 100 milioni di anni luce, hanno rilevato i loro segnali per quasi mezzo minuto!

Questa figura mostra le ricostruzioni gravitazionali di quattro fiduciosi e un candidato (LVT151012). [+] segnali d'onda rilevati da LIGO e Virgo fino ad oggi, incluso il più recente rilevamento di buchi neri GW170814 (che è stato osservato in tutti e tre i rilevatori).

LIGO/Virgo/B. Farr (Università dell'Oregon)

Questa volta, il satellite a raggi gamma Fermi ha rilevato un lampo transitorio, coerente con le kilonovae viste in precedenza, appena 1,7 secondi dopo l'arrivo del "chirp" finale del segnale dell'onda gravitazionale. Trascorse 11 ore, il team di LIGO/Virgo aveva individuato un'area del cielo di appena 28 gradi quadrati: la regione localizzata più piccola mai vista. Anche se il segnale della stella di neutroni era molto meno intenso in magnitudine rispetto ai segnali del buco nero, il fatto che i rivelatori avessero catturato così tante orbite ha dato al team il segnale più forte fino ad oggi: un rapporto segnale-rumore di oltre 32!

Aggiungendo i dati dal rivelatore Virgo, anche se il rapporto segnale-rumore era basso, abbiamo . [+] sono stati in grado di rilevare con la massima precisione una sorgente di onde gravitazionali di tutti i tempi.

BP Abbott et al., PRL 119, 161101 (2017)

Sapendo dove fosse questo segnale, potremmo quindi addestrare i nostri più grandi telescopi ottici, infrarossi e radio su questo sito nel cielo, dove si trovava la galassia NGC 4993 (alla distanza corretta). Nelle due settimane successive, abbiamo visto una controparte elettromagnetica della sorgente di onde gravitazionali e il bagliore residuo del lampo di raggi gamma che Fermi ha visto. Per la prima volta, abbiamo osservato una fusione di stelle di neutroni nelle onde gravitazionali e attraverso lo spettro luminoso, confermando ciò che i teorici avevano sospettato in modo spettacolare: che è qui che ha origine la maggior parte degli elementi più pesanti dell'Universo.

Poche ore dopo l'arrivo del segnale dell'onda gravitazionale, i telescopi ottici sono stati in grado di concentrarsi su . [+] la galassia sede della fusione, osservando il luogo dell'esplosione illuminarsi e svanire praticamente in tempo reale.

P.S. Cowperthwaite / E. Berger / DECam

Ma anche codificati in questa fusione sono alcuni fatti incredibili che potresti non realizzare che indicano la strada verso il futuro dell'astronomia delle onde gravitazionali.

1.) Le stelle di neutroni binarie girano a malapena! In isolamento, le stelle di neutroni possono essere alcuni degli oggetti che ruotano più rapidamente nell'Universo, fino a una percentuale significativa della velocità della luce. Il più veloce ruota oltre 700 volte al secondo. ma non in un sistema binario! La stretta presenza di un'altra grande massa significa che le forze di marea sono grandi, e quindi l'attrito di un corpo rotante su un altro fa sì che entrambi rallentino. Quando si fondono, nessuno dei due può ruotare a una velocità apprezzabile, il che ci consente di vincolare i parametri orbitali del segnale dell'onda gravitazionale in modo estremamente stretto.

Alcuni dei parametri più importanti del sistema di onde gravitazionali in fusione sono stati riportati abbastanza. [+] appunto, a causa della natura non rotante del sistema stella di neutroni-stella di neutroni.

BP Abbott et al., PRL 119, 161101 (2017)

2.) Almeno 28 masse di Giove di materiale sono state convertite in energia tramite E = mc 2 . Non abbiamo mai visto fusioni stella di neutroni-stella di neutroni nelle onde gravitazionali prima. Nei sistemi buco nero-buco nero di massa equivalente, fino al 5% della massa totale viene convertita in energia. Nei sistemi di stelle di neutroni, dovrebbe essere inferiore, perché la collisione avviene tra nuclei, non tra singolarità, le due masse non possono avvicinarsi così tanto. Tuttavia, almeno l'1% della massa totale è stata convertita in pura energia tramite l'equivalenza massa-energia di Einstein, una quantità di energia davvero impressionante!

Tutte le particelle prive di massa viaggiano alla velocità della luce, inclusi fotoni, gluoni e gravitazionali. [+] onde, che trasportano rispettivamente le interazioni elettromagnetiche, nucleari forti e gravitazionali.

NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

3.) Le onde gravitazionali si muovono esattamente alla velocità della luce! Prima di questo rilevamento, non abbiamo mai avuto un'onda gravitazionale e un segnale luminoso identificabili contemporaneamente da confrontare tra loro. Dopo un viaggio di 130 milioni di anni luce, il primo segnale elettromagnetico di questo rilevamento è arrivato appena 1,7 secondi dopo il picco del segnale dell'onda gravitazionale. Ciò significa che, al massimo, la differenza tra la velocità della gravità e la velocità della luce è di circa 0,12 micron-al secondo, o 0,00000000000004%. Si prevede che queste due velocità siano esattamente uguali e il ritardo del segnale luminoso deriva dal fatto che le reazioni che producono luce nella stella di neutroni impiegano uno o due secondi per raggiungere la superficie.

La galassia NGC 4993, situata a 130 milioni di anni luce di distanza, era stata fotografata molte volte in precedenza. Ma . [+] subito dopo il rilevamento delle onde gravitazionali del 17 agosto 2017, è stata osservata una nuova fonte di luce transitoria: la controparte ottica di una fusione stella di neutroni-stella di neutroni.

P.K. Blanchard / E. Berger / Pan-STARRS / DECam

4.) È possibile un tempo di risposta più rapido! Quando abbiamo localizzato per la prima volta il luogo tridimensionale nel cielo dove si trovava il segnale elettromagnetico, erano trascorse dodici ore. Certo, abbiamo potuto osservare subito la controparte ottica, ma sarebbe stato meglio entrare al piano terra. Man mano che l'analisi automatizzata migliora, così come la sincronizzazione di tutti e tre i rilevatori, meglio faremo. Nei prossimi anni, LIGO diventerà leggermente più sensibile, Virgo migliorerà e due ulteriori rilevatori simili a LIGO, KAGRA in Giappone e LIGO-India, entreranno in funzione. Invece di mezza giornata, potremmo presto parlare di tempi di risposta in pochi minuti o addirittura secondi.

A terra, un "disturbo" del rumore nel rilevatore LIGO Livingston significava che il software automatizzato . [+] non è riuscito a estrarre il segnale, richiedendo un intervento manuale.

BP Abbott et al., PRL 119, 161101 (2017)

5.) Andare nello spazio sarà il massimo nell'osservazione delle onde gravitazionali. Qui a terra, parte del motivo per cui ci è voluto così tanto tempo per trovare la posizione era che a Livingston, Los Angeles, c'era un problema tecnico "rumore": qualcosa ha fatto vibrare il rilevatore a terra. Di conseguenza, il software automatizzato non è stato in grado di estrarre il vero segnale ed è stato necessario un intervento manuale. Il team LIGO-Virgo ha fatto un lavoro straordinario, ma se questi rivelatori fossero nello spazio, questo non sarebbe nemmeno stato un problema in primo luogo. Non c'è rumore sismico nell'abisso dello spazio interplanetario.

Le stelle di neutroni, quando si fondono, possono esibire onde gravitazionali e segnali elettromagnetici. [+] contemporaneamente, a differenza dei buchi neri.

Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

A differenza della fusione di buchi neri, dell'ispirazione e della fusione di stelle di neutroni:

  • Possono essere visti per un tempo molto più lungo, a causa delle loro masse ridotte,
  • Emetterà controparti elettromagnetiche, consentendo l'unificazione dei cieli gravitazionali ed elettromagnetici,
  • Sono molto più numerosi, con l'unico motivo per cui abbiamo visto più buchi neri è dovuto alla maggiore portata per loro,
  • E può essere usato per apprendere informazioni sull'Universo, come la velocità di gravità, che i buchi neri non possono insegnarci.

Il ritardo di circa 11 ore dalla fusione alle prime firme ottiche e infrarosse non è dovuto alla fisica, ma ai nostri limiti strumentali qui. Man mano che le nostre tecniche di analisi migliorano e vengono scoperti più eventi, impareremo esattamente quanto tempo ci vuole prima che le firme di luce visibile vengano create dalle fusioni stella di neutroni-stella di neutroni.

Finalmente, l'origine degli elementi pesanti è confermata, la velocità di gravità è definitivamente nota e l'onda gravitazionale ei cieli elettromagnetici sono una cosa sola. Tutti i dubbiosi di LIGO ora hanno la conferma indipendente che stavano chiedendo a gran voce, e non c'è più ambiguità. Il futuro dell'astronomia include le onde gravitazionali e quel futuro è qui, oggi. Congratulazioni, uno e tutti. Oggi, tutta la Terra è beneficiaria di questa incredibile conoscenza.


Gli astronomi hanno individuato stelle di neutroni in collisione che potrebbero aver formato una magnetar

Un'esplosione di raggi gamma in un'altra galassia (mostrata nell'illustrazione di un artista) suggerisce che le stelle di neutroni in collisione abbiano prodotto una magnetar.

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1 dicembre 2020 alle 8:00

Un'esplosione cosmica sorprendentemente luminosa potrebbe aver segnato la nascita di una magnetar. Se così fosse, sarebbe la prima volta che gli astronomi hanno assistito alla formazione di questo tipo di cadavere stellare in rapida rotazione ed estremamente magnetizzato.

Quel lampo di luce abbagliante è stato creato quando due stelle di neutroni si sono scontrate e si sono fuse in un unico oggetto massiccio, riportano gli astronomi in un prossimo numero del Giornale Astrofisico. Sebbene la luce particolarmente brillante possa significare che è stata prodotta una magnetar, sono possibili altre spiegazioni, affermano i ricercatori.

L'astrofisico Wen-fai Fong della Northwestern University di Evanston, Illinois, e colleghi hanno individuato per la prima volta il sito dell'incidente di una stella di neutroni come un'esplosione di raggi gamma rilevata con l'Osservatorio Neil Gehrels Swift della NASA in orbita il 22 maggio. Osservazioni di follow-up in Le lunghezze d'onda della luce a raggi X, visibili e infrarosse hanno mostrato che i raggi gamma erano accompagnati da un caratteristico bagliore chiamato kilonova.

Si pensa che le Kilonova si formino dopo che due stelle di neutroni, i nuclei ultradensi di stelle morte, si sono scontrate e si sono fuse. La fusione spruzza materiale ricco di neutroni "non visto da nessun'altra parte nell'universo" intorno al luogo della collisione, dice Fong. Quel materiale produce rapidamente elementi pesanti instabili e quegli elementi decadono presto, riscaldando la nube di neutroni e facendola brillare di luce ottica e infrarossa (SN: 23/10/19).

Gli astronomi pensano che le kilonova si formino ogni volta che una coppia di stelle di neutroni si fonde. Ma le fusioni producono anche altra luce più brillante, che può sommergere il segnale della kilonova. Di conseguenza, gli astronomi hanno visto solo una kilonova definitiva prima, nell'agosto 2017, sebbene ci siano altri potenziali candidati (SN: 16/10/17).

Il bagliore che la squadra di Fong ha visto, tuttavia, ha fatto vergognare la kilonova del 2017. "È potenzialmente la kilonova più luminosa che abbiamo mai visto", afferma. "Fondamentalmente rompe la nostra comprensione delle luminosità e delle luminosità che dovrebbero avere le kilonova".

La più grande differenza di luminosità era nella luce infrarossa, misurata dal telescopio spaziale Hubble circa 3 e 16 giorni dopo il lampo di raggi gamma. Quella luce era 10 volte più brillante della luce infrarossa vista nelle precedenti fusioni di stelle di neutroni.

"Quello è stato il vero momento che ci ha aperto gli occhi, ed è allora che ci siamo affrettati a trovare una spiegazione", dice Fong. "Dovevamo trovare una fonte extra [di energia] che aumentasse quella kilonova".

La sua spiegazione preferita è che l'incidente abbia prodotto una magnetar, che è un tipo di stella di neutroni. Normalmente, quando le stelle di neutroni si fondono, la stella mega-neutrone che producono è troppo pesante per sopravvivere. Quasi immediatamente, la stella soccombe a intense forze gravitazionali e produce un buco nero.

Ma se la stella di neutroni supermassiccia ruota rapidamente ed è altamente caricata magneticamente (in altre parole, è una magnetar), potrebbe salvarsi dal collasso. Sia il supporto della propria rotazione che lo scarico di energia, e quindi una certa massa, nella nube circostante ricca di neutroni potrebbero impedire alla stella di trasformarsi in un buco nero, suggeriscono i ricercatori. Quell'energia extra a sua volta farebbe sì che la nuvola emetta più luce, il bagliore infrarosso extra che Hubble ha individuato.

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Ma ci sono altre possibili spiegazioni per la luce extra brillante, dice Fong. Se le stelle di neutroni in collisione avessero prodotto un buco nero, quel buco nero avrebbe potuto lanciare un getto di plasma carico che si muoveva quasi alla velocità della luce (SN: 22/02/19). I dettagli di come il getto interagisce con il materiale ricco di neutroni che circonda il luogo della collisione potrebbero anche spiegare il bagliore extra di chilonova, dice.

Se fosse prodotta una magnetar, "questo potrebbe dirci qualcosa sulla stabilità delle stelle di neutroni e su quanto possono diventare massicce", dice Fong. “Non conosciamo la massa massima delle stelle di neutroni, ma sappiamo che nella maggior parte dei casi collasserebbero in un buco nero [dopo una fusione]. Se una stella di neutroni è sopravvissuta, ci dice in quali condizioni può esistere una stella di neutroni».

Trovare un baby magnetar sarebbe emozionante, afferma l'astrofisico Om Sharan Salafia dell'Istituto nazionale di astrofisica italiano di Merate, che non è stato coinvolto nella nuova ricerca. "Una stella di neutroni appena nata, altamente magnetizzata e altamente rotante, che si forma dalla fusione di due stelle di neutroni, non è mai stata osservata prima", afferma.

Ma è d'accordo che è troppo presto per escludere altre spiegazioni. Inoltre, recenti simulazioni al computer suggeriscono che potrebbe essere difficile vedere una magnetar appena nata, anche se si fosse formata, dice. "Non direi che questo è risolto."

Osservando come si comporta la luce dell'oggetto nei prossimi quattro mesi a sei anni, Fong e i suoi colleghi hanno calcolato, dimostreranno se è nata o meno una magnetar.

La stessa Fong prevede di continuare a seguire l'oggetto misterioso con osservatori esistenti e futuri per molto tempo. "Lo seguirò finché non sarò vecchia e grigia, probabilmente", dice. "Addestrerò i miei studenti a farlo, e i loro studenti".

Domande o commenti su questo articolo? Inviaci un'e-mail a [email protected]

Una versione di questo articolo appare nel numero del 19 dicembre 2020 di Notizie scientifiche.


Allerta precoce

Sachdev e i suoi collaboratori analizzano le prestazioni di GstLAL, una pipeline di rilevamento precoce di onde gravitazionali per LIGO/Virgo che cerca segnali di stelle binarie di neutroni che si avvicinano alla fusione.

Distribuzioni cumulative delle localizzazioni del cielo dei segnali di fusione di stelle di neutroni binarie iniettate recuperate dalla pipeline degli autori. I risultati mostrano che almeno un evento all'anno verrà rilevato prima della fusione e localizzato entro 100 gradi².
Sachdev et al. 2020

Iniettando segnali di fusione in un set di dati simulato, gli autori mostrano che la pipeline è in grado di recuperare molti di questi segnali 10-60 secondi prima che si verifichi la fusione. Queste rilevazioni precoci sono rese possibili quando le fusioni avvengono nelle vicinanze, in modo che un grande rapporto segnale-rumore possa accumularsi mentre le stelle di neutroni inspirano nei loro ultimi istanti di collisione.


Le stelle di neutroni sono molto, molto strane e abbiamo appena appreso un nuovo dettaglio affascinante su di loro

Di Matthew Rozsa
Pubblicato il 30 aprile 2021 alle 8:00 (EDT)

Stella di neutroni rotante altamente magnetizzata (Getty Images/Pitris)

Azioni

Immagina che una stella massiccia, molto più grande del nostro sole, sia morta. Prima c'è un'esplosione spettacolare, seguita da ciò che rimane. A volte è un buco nero, che può essere affascinante di per sé, e in altre occasioni ci rimane un nucleo collassato super-denso della stella precedentemente magnifica. Questi oggetti sono conosciuti come stelle di neutroni e gli scienziati credono di aver appena trovato un modo per saperne di più su questi corpi estremamente strani e distanti.

Per farlo, però, hanno esaminato qualcosa di molto, molto piccolo: il nucleo degli atomi, o la più piccola unità di materia ordinaria che può formare un elemento chimico. Come il sistema solare stesso, gli atomi contengono un centro massiccio con oggetti più piccoli che ruotano attorno ad esso. Nel caso del nostro sistema solare, il centro è il sole e gli oggetti più piccoli sono vari pianeti e altri corpi celesti. Nel caso di un atomo, il centro è un nucleo composto da parti note come protoni e neutroni, a loro volta circondate da elettroni rotanti.

"Se torni a quando abbiamo iniziato a guardare i nuclei [atomici], abbiamo usato gli elettroni per mappare le dimensioni del nucleo", il dottor Kent Paschke, professore di fisica sperimentale nucleare e delle particelle presso l'Università della Virginia e co -autore del nuovo studio, ha detto Salon. "Abbiamo in qualche modo creato una nuova immagine del nucleo per spiegare non solo dove sono i protoni, ma dove si trova tutta la materia nel nucleo. Quello che abbiamo imparato è la densità media all'interno del nucleo di piombo. Ciò che ci dice è un dettagli sulla struttura nucleare che non abbiamo mai avuto prima, ovvero quanto sia difficile creare materia densa e ricca di neutroni".

Che relazione ha questo con le stelle di neutroni? In poche parole, queste nuove informazioni potrebbero aiutarci a saperne di più sulle loro dimensioni e proprietà fisiche.

"Fondamentalmente la fisica è la stessa", ha spiegato Paschke. "I tipi di interazioni sono gli stessi. Pensiamo di poter tradurre dalla situazione all'interno del piccolo nucleo alla situazione all'interno della stella. E questo è qualcosa che piace fare ai fisici, a cui piace avere una regola generale che si applica a molti sistemi diversi ."

Ha aggiunto che ciò che hanno imparato, in particolare, è "lo spessore della pelle di neutroni del nucleo di piombo. E quindi è un sistema diverso da una stella di neutroni. E stiamo parlando di dove si trovano i neutroni nel nucleo di piombo, e poi le implicazioni per la dimensione totale della stella di neutroni."

È importante notare che le stelle di neutroni sono diverse da qualsiasi cosa possiamo immaginare qui sulla Terra. Secondo il dottor Jorge Piekarewicz, un fisico della Florida State University e coautore di uno studio complementare alla ricerca sulle stelle di neutroni, provengono da stelle molto diverse dal nostro sole. Le stelle come il nostro sole creano energia attraverso reazioni termonucleari e, quando muoiono, diventano stelle "nane bianche". Una stella di neutroni, al contrario, viene creata quando una stella molto, molto più grande del sole muore.

"Come indica il nome, le stelle di neutroni sono costituite principalmente da neutroni, a differenza del nostro sole che è in gran parte costituito da idrogeno primordiale creato durante il Big Bang", ha detto Piekarewicz a Salon via e-mail. "Le stelle di neutroni sono pesanti quanto il nostro sole, ma hanno un raggio che è circa 100.000 volte più piccolo. In quanto tali, sono gli oggetti più densi dell'universo. Una zolletta di zucchero di materiale di una stella di neutroni pesa quanto l'intera popolazione del mondo. "

Piekarewicz ha aggiunto che le stelle di neutroni sono insolite - per quelli di noi sulla Terra, cioè - perché contengono materiali che non possono essere prodotti sul nostro pianeta, hanno campi magnetici che sono esponenzialmente più forti del campo magnetico del nostro pianeta e sono anche esponenzialmente più densi dell'acqua.

"Lo studio è notevole perché collega oggetti piccoli come il nucleo atomico (con dimensioni di pochi femtometri) con oggetti astronomici grandi come una stella di neutroni (con dimensioni di circa 10 chilometri)", ha spiegato Piekarewicz. "Lo studio suggerisce che le stelle di neutroni sono più grandi del previsto, un fatto che è pienamente coerente con le recenti osservazioni della missione NICER a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Pertanto, lo studio stabilisce un legame convincente tra esperimenti terrestri e osservazioni astronomiche - una partnership che diventare ancora più forte nella nuova era dell'astronomia delle onde gravitazionali."

Matteo Rozsa

Matthew Rozsa è uno scrittore di personale per Salon. Ha conseguito un Master in Storia presso la Rutgers University-Newark ed è ABD nel suo programma di dottorato in Storia presso la Lehigh University. Il suo lavoro è apparso su Mic, Quartz e MSNBC.


Riferimenti

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  10. M. Kramer e N. Wex, "Il sistema a doppia pulsar: un laboratorio unico per la gravità", Classe. Quant. Grav. 26, 073001 (2009).

L'impatto

Le collisioni tra stelle di neutroni ci insegnano la natura della materia più densa dell'Universo. Le proprietà di questa materia possono essere comprese in parte misurando i raggi delle stelle di neutroni. Fino a poco tempo fa, gli osservatori deducevano che i raggi tipici delle stelle di neutroni variavano da 10 a 14 km con grandi incertezze. Il presente lavoro determina il raggio della stella di neutroni in modo indipendente e più accurato. I vincoli migliorati avranno implicazioni per l'interpretazione delle future osservazioni delle stelle di neutroni e aiuteranno gli scienziati a comprendere meglio l'universo.


Gli scienziati hanno scoperto una strana somiglianza tra le cellule umane e le stelle di neutroni

Se dovessi paragonarti a una stella di neutroni, probabilmente non troveresti molte cose in comune. Dopotutto, le stelle di neutroni, corpi celesti con campi magnetici super potenti, sono costituite da nuclei stellari collassati, si trovano ad anni luce di distanza dalla Terra e non guardano nemmeno Netflix.

Ma, secondo una nuova ricerca, condividiamo almeno una somiglianza: la geometria della materia che ci fa.

I ricercatori hanno scoperto che la "crosta" (o gli strati esterni) di una stella di neutroni ha la stessa forma delle nostre membrane cellulari. Ciò potrebbe significare che, nonostante siano fondamentalmente diversi, sia gli esseri umani che le stelle di neutroni sono vincolati dalla stessa geometria.

"Vedere forme molto simili in sistemi così sorprendentemente diversi suggerisce che l'energia di un sistema può dipendere dalla sua forma in modo semplice e universale", ha detto uno dei ricercatori, l'astrofisico Charles Horowitz, dell'Università dell'Indiana, a Bloomington.

Per comprendere questa scoperta, dobbiamo tuffarci rapidamente nello strano mondo della materia nucleare, che i ricercatori chiamano "pasta nucleare" perché assomiglia molto a spaghetti e lasagne. Guarda tu stesso:

D.K. Berry et al.

Questa pasta nucleare si forma nella crosta densa di una stella di neutroni grazie a forze repulsive a lungo raggio in competizione con qualcosa chiamato forza forte, che è la forza che lega insieme i quark.

In altre parole, due potenti forze lavorano l'una contro l'altra, costringendo la materia – che consiste di varie particelle – a strutturarsi in modo impalcabile (pasta).

Come membro del team, Greg Huber, un fisico biologico dell'Università della California, Santa Barbara, spiega:

"Quando hai una densa collezione di protoni e neutroni come sulla superficie di una stella di neutroni, la forte forza nucleare e le forze elettromagnetiche cospirano per darti fasi della materia che non saresti in grado di prevedere se avessi appena guardato a quelle forze che operano su piccole raccolte di neutroni e protoni."

Ora, si scopre che queste strutture simili alla pasta assomigliano molto alle strutture all'interno delle cellule biologiche, anche se sono molto diverse.

Questa strana somiglianza è stata scoperta per la prima volta nel 2014, quando Huber stava studiando le forme uniche sul nostro reticolo endoplasmatico (RE), il piccolo organello nelle nostre cellule che produce proteine ​​e lipidi.

All'inizio Huber pensava che queste strutture sul pronto soccorso - che chiamò "parcheggi", o più formalmente, rampe Terasaki - fossero qualcosa che accadeva solo all'interno della materia soffice.

Ma vide i modelli di stelle di neutroni di Horowitz, e fu sorpreso di scoprire che le strutture dell'ER assomigliavano molto alle strutture all'interno delle stelle di neutroni.

"Ho chiamato Chuck [Horowitz] e gli ho chiesto se era a conoscenza del fatto che avevamo visto queste strutture nelle cellule e avevamo escogitato un modello per loro", ha detto Huber. "It was news to him, so I realised then that there could be some fruitful interaction."

You can see the ER structures (left) compared to the neutron stars (right) below:

University of California, Santa Barbara

The discovery brought both of the scientists together to compare and contrast the differences between the structures, such as the conditions required for them to form.

Normally, matter is characterised by a phase – sometimes called its state – such as gas, solid, liquid Different phases are usually influenced by a plethora of various conditions, like how hot the matter is, how much pressure it’s under, and how dense it is.

These factors change wildly between soft matter (the stuff inside cells) and neutron stars (nuclear matter). After all, neutron stars form after supernovae explosions, and cells form within living things. With that in mind, it’s quite easy to see that the two things are very different.

"For neutron stars, the strong nuclear force and the electromagnetic force create what is fundamentally a quantum mechanical problem," Huber said.

"In the interior of cells, the forces that hold together membranes are fundamentally entropic and have to do with the minimisation of the overall free energy of the system. At first glance, these couldn't be more different."

While the similarity is cool, and makes us feel connected to the cosmos in a strange way, the differences signify the importance of the discovery, because they hint that two very different things – cells and neutron stars – might be guided by the same geometric rules that we're only just beginning to understand.

It will take further research to really figure out what's going on here, but it’s a starting point that could help us understand something fundamental about how matter is structured, and we're excited to see where that leads.


The origin of neutron stars

When a star that is between about three to eight times as massive as the Sun dies, it goes in spectacular fashion. The star's core temperature is in excess of half a billion degrees kelvin, and must remain this hot for thermonuclear fusion reactions involving its last reserves of fuel to take place.

Then the fuel runs out. No longer able to produce fusion reactions to sustain it, the star collapses. The core—a few million trillion trillion tons of it—falls in on itself, and in the ensuing cataclysm the star's outer layers are flung outward in a supernova explosion.

Intuition might tell you that the collapsing core will keep falling, squeezing itself together until it becomes so dense that it can fall no farther. This is like when you crumple a sheet of paper into a ball. You can only squeeze it to a certain point, after which it is too tightly packed to reduce its size any further.

In the case of a collapsing star, a law of physics known as the Pauli exclusion principle describes this phenomenon. Atoms are composed of a nucleus surrounded by electrons. Electrons do not "orbit" the nuclei in the sense that planets orbita the Sun rather, electrons exist in what are called "energy states," meaning that they have only certain amounts of energia . The Pauli Exclusion Principle states that two identical electrons may not share the same energy state. It is therefore possible for the energy levels of an atom to become completely filled with electrons, in the same way that an auditorium can only hold as many people as it has seats. Importa with its energy levels filled like this is called degenerate.

The Pauli exclusion principle will come into play when the Sun dies and its core collapses. Il carbon e oxygen atoms will become squeezed together until the atomic levels are filled and the whole core becomes a ball of degenerate matter. At this point, the resistance of the electrons to gravity, or electron degeneracy pressure, will halt the contraction. This ball of hot, degenerate, carbon and oxygen atoms is called a Nana bianca , and it is the fate of the Sun.

If the collapsing core is between 1.4 and about 2.5 times the mass of the Sun, however, the gravity will be so strong that the electron degeneracy pressure will fail. Unable to resist the weight of their own gravity, the atoms will be crushed into a ball made mainly of neutrons about 32,810 ft (10 km) across. This object is called a neutron star.


A new way to see Inside Neutron Stars

Imagine trying to study an object light-years away that is less than 20 kilometers in diameter. The object is so dense that it’s made of material that can’t exist naturally on Earth. This is the challenge astronomers face when studying neutron stars, so they have to devise ingenious ways to do it. Recently a team figured out how to study them by using the power of resonance.

Resonance occurs when energy is given to a system near the natural oscillation frequency of an object. For example, if you want to make a swing go high, you can’t just pump your legs at any speed. You have to time things so that you are in sync with the natural motion of the swing. Do it right, and you can really get the swing going. Resonance is used in all kinds of things, from the receiver on your mobile phone to amusement park wave pools.

The incomparable Ella Fitzgerald sings a note to shatter glass in a 1970s advertisement. Credit: Memorex at 50

Perhaps the most famous demonstration of resonance is the 1970s Memorex commercial where jazz singer Ella Fitzgerald sang a high C so loud and pure that she could shatter a wine glass. Ella’s note was close enough to the natural frequency of the glass that it vibrated strongly enough for the glass to shatter. This is essentially the method the team used, but instead of sound, the study relied on gravitational waves to do the shattering.

When two neutron stars orbit each other closely, the gravitational attraction between them can cause the surface of these stars to flex slightly. If the rate of this flexing is in sync with a natural frequency of the star, the flexing builds to the point that the surface of the neutron star cracks, similar to the way a wine glass shatters. When the surface cracks, the star emits a bright burst of gamma rays. The effect is known as a Resonant Shattering Flare. We can observe these gamma-ray flares every time the surface shatters.

Close orbiting neutron stars create gravitational waves. Credit: R. Hurt/Caltech-JPL

Of course, neutron stars can emit gamma-ray flares for other reasons as well. So to determine which flares are from resonance, the team proposes looking at gravitational waves as well. Closely orbiting neutron stars emit gravitational waves as they spiral ever closer together. The frequency of these gravitational waves could tell astronomers the frequency at which the neutron star surface is being flexed. The combination of gamma-ray and gravitational wave observations would allow astronomers to determine the resonant frequency of the neutron star.

As the team points out, this would allow astronomers to understand what’s known as the symmetry energy of nuclear material. This relates to the ratio of protons and neutrons in the nucleus of an atom, and by studying symmetry energy astronomers could better understand the interiors of neutron stars.

Reference: Neill, Duncan, William G. Newton, and David Tsang. “Resonant Shattering Flares as Multimessenger Probes of the Nuclear Symmetry Energy.” Avvisi mensili della Royal Astronomical Society (2021): stab764.


Guarda il video: Alessandro Drago Le stelle di Neutroni dalla nascita alla morte (Gennaio 2022).