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Quanto è grande una stella di neutroni?

Un team internazionale di scienziati, guidato dal Max Planck Institute for Gravitational Physics, ha combinato le osservazioni di onde gravitazionali, l’astronomia multi messaggero e la fisica nucleare per ottenere la misurazione più precisa delle stelle di neutroni mai ottenuta finora. Lo studio è stato pubblicato sull’ultimo numero di Nature Astronomy.

Le stelle di neutroni sono resti compatti ed estremamente densi di esplosioni di supernova con una massa simile a quella del Sole. Data la loro natura estremamente densa e ricca di neutroni è impossibile ricreare le condizioni per studiarle in laboratori sulla Terra. Per studiarle i fisici hanno proposto vari modelli ma non è ancora noto quale di questi possa essere idoneo per spiegare la composizione della materia stellare.

Per questo motivo il team del Max Planck ha deciso di combinare i principi generali che descrivono il comportamento della materia stellare con le osservazioni multi messaggero derivanti dall’evento Gw170817, il  segnale di onda gravitazionale misurato dai due interferometri LigoVirgo il 17 agosto 2017. I primi risultati sono incoraggianti e più rigorosi rispetto ai precedenti del settore e mostrano che una tipica stella di neutroni ha un raggio che si avvicina agli 11 chilometri ed è circa 1,4 volte più pesante del Sole.

Ma non solo, le stelle di neutroni che si fondono con i buchi neri vengono solitamente ‘ingerite’ interamente a meno che non si tratti di un buco nero di piccole dimensioni o in rapida rotazione. Quest’ultimo dato mostra che tali fusioni potrebbero essere osservabili come fonte di onde gravitazionali, ma sarebbero invisibili nello spettro elettromagnetico.

«Le fusioni binarie di stelle di neutroni sono una miniera d’oro di informazioni – afferma Collin Capano, autore principale dello studio – le stelle di neutroni contengono la materia più densa nell’universo osservabile. In effetti, sono così dense e compatte, che è possibile descriverle come un singolo nucleo atomico, ridimensionato fino alle dimensioni di una città. Misurando le proprietà di questi oggetti apprendiamo la fisica fondamentale che governa la materia a livello subatomico».

Le fusioni di stelle binarie di neutroni come Gw170817 – osservate nelle onde gravitazionali e nell’intero spettro elettromagnetico nell’agosto 2017 – sono gli eventi astrofisici più interessanti per scoprire di più sul comportamento della materia in condizioni estreme e sulla fisica nucleare.Da questo punto gli scienziati possono a loro volta determinare le proprietà fisiche delle stelle di neutroni come il loro raggio e massa.

La descrizione dei primi principi  che descrivono il comportamento della materia stellare usata dai ricercatori prevede un’intera famiglia di possibili equazioni di stato per le stelle di neutroni, direttamente derivate dalla fisica nucleare. Da questa famiglia gli autori hanno selezionato quei membri che hanno maggiori probabilità di spiegare le  diverse osservazioni astrofisiche scegliendo i modelli che concordano con le osservazioni sulle onde gravitazionali di Gw170817 dai dati ottenuti da Ligo e Virgo.

I dati dei due osservatori hanno permesso l’individuazione di  una stella di neutroni iper-massiccia di breve durata a seguito della fusione e i dati concordano con i vincoli noti sulla massa massima della stella di neutroni  ottenuti dalle osservazioni elettromagnetiche di Gw170817.

Le osservazioni combinate – in questo caso – hanno permesso di ricavare solide informazioni  sulla fisica della materia densa e di ottenere i limiti più precisi sulla dimensione delle stelle di neutroni fino ad oggi. I nuovi risultati implicano che, con un evento come Gw170817, i rivelatori Ligo e Virgo saranno in grado di distinguere facilmente, dalle sole onde gravitazionali, se due stelle di neutroni o due buchi neri si sono fusi. Nel caso specifico di  Gw170817 le osservazioni nello spettro elettromagnetico sono state cruciali per fare questa distinzione.

Nel prossimo decennio, i rilevatori di onde gravitazionali esistenti diventeranno ancora più sensibili  e gli scienziati saranno in grado di rilevare segnali di onde gravitazionali sempre più forti, oltre a possibili osservazioni multi-messaggero derivate dalla fusione di stelle binarie di neutroni. Ognuno di questi eventi sarà cruciale per la scoperta di nuove caratteristiche delle stelle di neutroni e della fisica che le governa.

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