Quando una stella più massiccia del nostro Sole esaurisce il carburante nel suo nucleo, collassa sotto il suo stesso peso ed esplode in una supernova. Se la stella inizialmente era molto pesante, i suoi resti formeranno un buco nero. Se invece era grande solo un paio di volte il nostro Sole, ciò che rimane dall’esplosione crea una stella di neutroni. Le stelle di neutroni racchiudono più massa del Sole, in una sfera larga all’incirca quanto è lunga l’isola di Manhattan a New York. La materia nel loro cuore, quindi, è nelle condizioni più estreme che conosciamo.

Ora, grazie ai dati di NICER (Neutron star Interior Composition Explorer), un telescopio a raggi X montato sulla ISS e parte del programma Explorers della NASA, gli scienziati hanno scoperto che questa materia misteriosa è meno comprimibile di quanto previsto da alcuni fisici.

La scoperta si basa principalmente sulle osservazioni di PSR J0740 + 6620 (J0740 in breve), la stella di neutroni più massiccia conosciuta, che si trova a oltre 3600 anni luce da noi, nella costellazione settentrionale della Camelopardalis. J0740 fa parte di un sistema stellare binario, ruota 346 volte al secondo e la sua massa è circa 2.1 volte quella del Sole e ha messo a repentaglio il poco che finora era stato teorizzato sulle stelle di neutroni.

Le stelle di neutroni sono a strati. Ma cosa c’è dentro?

Gli scienziati ipotizzano che le stelle di neutroni siano stratificate:

• In superficie, una sottile atmosfera di atomi di idrogeno o elio poggia su una solida crosta di atomi pesanti;
• Nella crosta, il rapido aumento della pressione elimina gli elettroni dai nuclei atomici;
• Più in basso, nel nucleo esterno, i nuclei si dividono in neutroni e protoni. L’immensa pressione schiaccia insieme protoni ed elettroni per formare un mare composto principalmente di neutroni. Essi infine arrivano a essere impacchettati insieme fino a due volte la densità di un “normale” nucleo atomico.

Ma che forma assume la materia nel nucleo più interno? E’ composta di neutroni fino in fondo o i neutroni si rompono nelle loro parti costituenti, le sottoparticelle chiamate quark?

Le previsioni dei modelli tradizionali

Nei modelli tradizionali, il nucleo interno di una tipica stella di neutroni grande 1,4 volte il Sole dovrebbe esser per lo più riempito di neutroni. Tuttavia, nelle stelle di neutroni più massicce, come J0740, la densità del nucleo interno è molto più alta. I neutroni vicini sono schiacciati e compressi molto forte tra loro. Non è ancora chiaro se i neutroni possano rimanere intatti in queste condizioni o se invece si scompongono in quark. I teorici sospettano che si frantumino a causa della forte pressione, ma rimangono molte domande sui dettagli di come questo possa avvenire.

Per ottenere risposte, gli scienziati hanno bisogno di una misura precisa delle dimensioni e della massa di una stella di neutroni massiccia. Ciò consentirebbe loro di calcolare la relazione tra pressione e densità nel nucleo interno della stella e soprattutto, di valutarne la comprimibilità.

Come sfruttare le pulsar per misurare le dimensioni

Per ottenere le misurazioni necessarie, NICER osserva stelle di neutroni in rapida rotazione che prendono il nome di pulsar, perché emettono impulsi ad intervalli regolari nella lunghezza d’onda dei raggi X.

Le pulsar ordinarie hanno una massa comparabile a quella del Sole, ma compressa in un raggio di una decina di chilometri: la loro densità è enorme. Così tanto che la loro gravità si deforma nello spazio-tempo vicino come una palla da bowling appoggiata su un trampolino. Questa distorsione è abbastanza forte da far sì che la luce dal lato più lontano della stella venga reindirizzata verso di noi, il che fa sembrare la pulsar più grande di quanto non sia in realtà. Lo vediamo in questa riproduzione:

Gli scienziati possono trarre vantaggio da questi effetti perché NICER misura l’arrivo di ogni impulso a una velocità migliore di 100 nanosecondi. Tracciando come varia la luminosità dei raggi X della pulsar mentre gira, gli scienziati possono ricostruire quanto distorce lo spazio-tempo. Poiché conoscono la sua massa, possono tradurre questa distorsione in una dimensione.

Le rivelazioni di NICER

Due team hanno utilizzato approcci diversi per modellare le dimensioni di J0740, la cui massa era già stata determinata in precedenza. Un gruppo guidato da Thomas Riley e Anna Watts, rispettivamente un ricercatore post-dottorato e un professore di astrofisica all’Università di Amsterdam, stima che la pulsar abbia un diametro di circa 24,8 kilometri. Un team guidato da Cole Miller, professore di astronomia presso l’Università del Maryland, ha scoperto che J0740 è larga circa 27,4 chilometri. Oltre ai dati NICER, entrambi i gruppi includevano anche osservazioni a raggi X dal satellite XMM-Newton dell’ESA, utili per tenere conto del rumore di fondo.

Nel 2019, sempre i team di Riley e Miller avevano utilizzato i dati NICER per stimare sia le dimensioni che la massa della pulsar J0030. Avevano determinato che l’oggetto era grande circa 1,4 volte il Sole e aveva 26 chilometri di diametro. Quindi le misurazioni di J0740 mostrano che anche se la stella è quasi il 50% più massiccia di J0030, ha essenzialmente le stesse dimensioni.

“Ciò sfida alcuni dei modelli più comprimibili di nuclei di stelle di neutroni, comprese le versioni in cui l’interno è solo un mare di quark” spiega Watts. “Le dimensioni e la massa di J0740 pongono problemi anche per alcuni modelli meno comprimibili contenenti solo neutroni e protoni”.

Come spiegare questo risultato?

I recenti modelli teorici propongono alcune alternative, come i nuclei interni contenenti un mix di neutroni, protoni e materia esotica composta da quark o nuove combinazioni di quark. Ma tutte le possibilità dovranno essere rivalutate nel contesto delle nuove informazioni di NICER.

“Le dimensioni di J0740 hanno sconcertato ed eccitato noi teorici” confessa Sanjay Reddy, professore di fisica presso l’Università di Washington. Reddy studia la materia in condizioni estreme e sostiene che le misurazioni di NICER sembrano supportare l’idea che la pressione aumenti rapidamente nei nuclei di stelle di neutroni massicce. “Anche se questo sfavorisce le transizioni a forme di materia più comprimibili nel nucleo, le sue implicazioni devono ancora essere completamente comprese” spiega il professore.

Non è solo un test dei limiti della materia

“Ora conosciamo il raggio di una stella di neutroni standard, con 1,4 volte la massa del Sole, con un’incertezza del 5%” afferma Miller. “È come conoscere le dimensioni di Washington DC entro un quarto di miglio. NICER non sta solo riscrivendo i libri di testo sulle stelle di neutroni, ma sta anche rivoluzionando la nostra fiducia nelle nostre misurazioni di oggetti che sono sia molto distanti che molto piccoli “.

Per questo risultato, la scoperta è sicuramente di spicco. Ma non dimentichiamo che, oltre a testare i limiti della materia, le stelle di neutroni offrono anche un nuovo mezzo per esplorare le vaste distese dello spazio. Nel 2018, un team di scienziati e ingegneri della NASA ha utilizzato NICER per dimostrare, per la prima volta, la navigazione completamente autonoma nello spazio utilizzando pulsar. Queste stelle fredde e pulsanti potrebbero rivoluzionare la nostra capacità di pilotare veicoli spaziali robotici fino ai confini del Sistema Solare e oltre.

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