Le stelle di neutroni sono residui stellari schiacciati dalla propria gravità, dove la materia raggiunge la densità più elevata nell'Universo osservabile1. Dopo il collasso della stella, gli atomi del nucleo risultano scomposti in neutroni e la sola regola che ne governa il comportamento è chiamata principio di esclusione di Pauli; essa impedisce ai neutroni di occupare lo stesso stato e crea una "degenerazione neutronica" che contrasta la pressione, impendo un ulteriore cedimento alla gravità a meno che la massa non superi un limite ancora piuttosto vago (probabilmente 2,5÷3 volte la massa del Sole).

 Tuttavia, le cose diventano più strane e complicate nelle regioni centrali, dove la pressione può crescere fino ai limiti della fisica nota. La chiave per capire quanto estreme possano diventare le condizioni nel nucleo è capire l' equazione di stato (EOS) che descrive questo materiale denso. Se l'equazione di stato dice che questa materia è "rigida", allora aumentare la massa di una stella di neutroni, e quindi la sua pressione interna, non causerebbe molti cambiamenti interni, a parte le sue dimensione della stella di neutroni che crescerebbe lievemente.

 Nella figura di apertura, vediamo tre diverse schematizzazioni della possibile struttura interna di una stella di neutroni. La composizione del nucleo, ovvero la natura della materia sotto pressione estrema, è sconosciuta e ci sono molte possibili opzioni. D'altro canto, l'equazione di stato potrebbe invece dire che l'interno è "morbido". In tal caso, un aumento di massa, e quindi di pressione, altererebbe in qualche modo la materia più densa, forse spremendo i quark dai neutroni o forse creando particelle più esotiche come gli iperoni . A seconda di come cambia la materia sotto pressione, la stella di neutroni potrebbe mantenere le stesse dimensioni man mano che si aggiunge massa, o potrebbe persino rimpicciolirsi.

Naturalmente, non possiamo aggiungere massa alle stelle di neutroni da soli: anche le stelle compagne possono impiegare molto tempo per aggiungere abbastanza materiale da fare la differenza. Invece, gli astronomi hanno iniziato a misurare la massa e il raggio di diverse stelle di neutroni rotanti, note come pulsar , utilizzando l'osservatorio Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) sulla Stazione Spaziale Internazionale.

Bello e preciso

 NICER osserva i raggi X delle pulsar che ruotano rapidamente, generando a loro volta potenti campi magnetici. Le regioni estremamente calde vicino ai poli magnetici delle pulsar ruotano come fari frenetici. Cronometrando con precisione l'arrivo di ogni impulso di luce, gli astronomi possono imparare molto sugli oggetti che li emettono.

Gli scienziati del NICER hanno ora aggiunto i dati della pulsar più vicina alla loro lista, PSR J0437–4715, a 510 anni luce di distanza. È veloce, pulsa 174 volte al secondo, più veloce dei coltelli rotanti di un frullatore da cucina, ed è luminosa, il che consente misurazioni precise. Gli astronomi hanno scoperto che la massa della pulsar è di circa 1,4 volte la massa del Sole (l'aggiunta di dati radio raccolti in precedenza ha aiutato quella misurazione). Il raggio della pulsar è compreso tra 10,7 e 12,3 chilometri.

 

La spettacolare precisione con cui è stato possibile determinare alcuni parametri fisici della pulsar al millisecondo PSR J0437−4715 e del suo moto orbitale attorno ad una compagna di piccola massa - Credits: D.J.Reardon et al. - ApJ Letters - Processing: Marco Di lorenzo 

La rotazione della pulsar J0437 mentre girava, in due fotogrammi tratti da una animazione basata su modello degli hotspot sulla superficie della stella di neutroni che causano gli impulsi di raggi X osservati da NICER. Questi due "spot" (uno intorno al polo settentrionale ad anello e l'altro a media latitudine meridionale, suggeriscono che il campo magnetico della stella di neutroni non è un semplice dipolo.


Materia soffice

 Questa pulsar ha posto alcuni dei limiti più precisi finora stabiliti sui tipi di materiale che potrebbero esistere all'interno delle stelle di neutroni, escludendo scenari estremi. "Il nostro nuovo risultato ci indirizza verso equazioni di stato leggermente più morbide (squisher!)", afferma Anna Watts, anche lei all'Università di Amsterdam e membro del team. "Ma le più morbide sono ancora improbabili, così come lo sono ora le più rigide". I risultati concordano con le misurazioni delle onde gravitazionali emesse da due stelle di neutroni, la celebre "kilonova" del 2017.

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Credits: A. Watts

 Il diagramma qui sopra mostra le stime su massa e raggio per tre pulsar osservate da NICER. Le misurazioni consentono un intervallo di valori possibili, quindi sono rappresentate come bolle di forma ovale, con la regione ombreggiata più scura che mostra i valori più probabili. Una pulsar, J0030, ha due possibili valori di massa-raggio, con nuovi valori provvisori basati su dati aggiuntivi mostrati come linee tratteggiate. Sono mostrate anche alcune equazioni di stato rappresentative, che appaiono come linee ricurve e fanno diverse assunzioni sulla composizione interna. I dati sembrano escludere sia i modelli più morbidi che quelli più rigidi ma, in generale, tendono a favorire comunque un comportamento "soffice" della materia e quindi una maggiore comprimibilità, con dimensioni più contenute per le stelle di neutroni. 

 Quindi, quanto può essere esotica una stella di neutroni? Combinando le stime di massa e raggio di diverse stelle di neutroni si esclude l'idea di nuclei dominati da semplici neutroni, che sarebbero descritti da un'equazione di stato più rigida. I dati consentono alcuni (ma non tutti) scenari in cui una pressione estrema potrebbe far uscire i quark dai neutroni, escludendo invece modelli basati su un nucleo di Iperioni.

 Recenti studi avevano posto limiti rigorosi alle possibili equazioni di stato per le stelle di neutroni e alla loro curva di raffreddamento, più rapida del previsto. Questo favorirebbe l'ipotesi di stati superfluidi (e anche superconduttivi) nelle regioni profonde. Tuttavia, Nathan Rutherford (University of New Hampshire) afferma che non è facile combinare quel risultato, che si basava su misurazioni di temperatura e campo magnetico di tre stelle di neutroni insolitamente fredde, con questo nuovo risultato, che si basa su misurazioni di massa e raggio. Lo studio sulle stelle di neutroni fredde ha anche preso in considerazione una famiglia più piccola di possibilità, aggiunge Watts, sebbene ci siano possibilità di espandere quel lavoro. C'è semplicemente un sacco di margine di manovra per ciò che è possibile all'interno di questi oggetti esoticamente compatti.

 Questo articolo è in buona parte basato su quello pubblicato nei giorni scorsi da Sky and Telescope a firma di Monica Young. Lo studio scientifico descritto, guidato da Choudhury, apparirà sulla rivista Astrophysical Journal Letters , così come un approfondimento sui metodi per determinare la massa e la distanza della pulsar, guidato da Daniel Reardon (Swinburne University of Technology, Australia), e sulla sua equazione di stato, guidato da Nathan Rutherford (University of New Hampshire).

 

Note tecniche:

1) Qui non consideriamo i buchi neri di piccola massa (sotto 5 masse solari) poiché, anche se sulla carta possono essere ancora più densi di una stella di neutroni, la loro reale esistenza è dubbia e, comunque, la materia di cui sono fatti non appartiene più al nostro Universo, anche se la gravità agisce ancora deformando lo spazio-tempo circostante!