NICER della NASA sonda la comprimibilità delle stelle di neutroni

Il NICER della NASA sonda la comprimibilità delle stelle di neutroni. La materia presente nel cuore delle stelle di neutroni, creati dai residui densi di stelle massicce ormai esplose, riesce ad assumere la forma più estrema mai misurata fino ad oggi.

Il Neutron star Interior Composition Explorer, acronimo di NICER, della NASA, è un telescopio a raggi X presente sulla Stazione Spaziale Internazionale. Gli scienziati, grazie ai dati raccolti attraverso questo strumento, sono riusciti a scoprire che la materia misteriosa individuata è molto meno comprimibile di quanto fosse stato previsto da alcuni fisici.

NICER e J0740

La scoperta è stata effettuata grazie alle osservazioni eseguite da NICER su PSR J0740 + 6620, J0740 in breve. Questa è la stella di neutroni più massiccia mai individuata fino adesso. L’oggetto è situato a oltre 3.600 anni luce di distanza nella costellazione settentrionale della Camelopardalis.

La J0740 è situata all’interno di un sistema binario, in cui è presente anche una nana bianca. Quest’ultima, che ruota 346 volte al secondo, è il residuo di raffreddamento di una stella molto simile al Sole. Le precedenti osservazioni hanno quantificato la massa della stella di neutroni ad un valore di circa 2,1 volte quella del Sole.

Zaven Arzoumanian, responsabile scientifico NICER della NASA Goddard Space Flight Center a Greenbelt, Maryland, ha dichiarato che: “Misurando le dimensioni e le masse delle stelle di neutroni con il NICER, stiamo esplorando la materia che si trova sul punto di implodere in un buco nero. Una volta che ciò accade, non possiamo più studiarne la materia, perché risulterebbe nascosta dal buco nero. Al momento c’è ancora molto che non conosciamo, su come si comporta la materia e su come si trasforma, soprattutto in condizioni estreme”.

I risultati della ricerca sono stati presentati in un incontro virtuale dell‘American Physical Society. Mentre gli articoli, che descrivono i risultati e le loro implicazioni, sono in fase di revisione scientifica.

NICER e le stelle di neutroni

Le stelle, che risultano molto più pesanti del Sole, alla fine del loro ciclo vitale, arrivano ad esaurire il carburante presente nel nucleo. A causa di ciò la stella collassa sotto il suo stesso peso, diventando così una supernova. Le stelle più pesanti che esplodono lasciano dietro di sé un buco nero, mentre quelle più leggere creano stelle di neutroni. Quest’ultime racchiudono in sé più massa del Sole.

Gli scienziati ritengono che le stelle di neutroni sono formate da vari strati. In superficie, presentano una sottile atmosfera di atomi di idrogeno o di elio, che poggia su una solida crosta di atomi più pesanti. Nella crosta, invece, il rapido aumento della pressione arriva ad eliminare gli elettroni dai nuclei atomici. Infine, nel nucleo esterno avviene la scissione dei neutroni e dei protoni.

L’immensa pressione presente è in grado di unire insieme i protoni e gli elettroni, arrivando così a formare un immenso numero di neutroni. Questi arrivano ad una quantità pari a due volte la densità di un nucleo atomico.

Le stelle di neutroni: le loro caratteristiche

Ma che forma arriva ad assumere la materia nel nucleo interiore? Riescono a rimanere dei veri neutroni, o si rompono nelle loro parti costituenti, ossia i quark?

I fisici, si sono posti questa domanda, da quando Walter Baade e Fritz Zwicky hanno proposto l’esistenza di stelle di neutroni nel 1934. Gli astronomi, per riuscire a rispondere al quesito, necessitano di misurazioni molto precise, sia delle dimensioni che delle masse di questi oggetti. Queste informazioni consentirebbe loro di quantificare la relazione tra pressione e densità nel nucleo interno della stella, e valutarne la comprimibilità finale della materia.

I fisici, in una tipica stella di neutroni con una massa di circa 1,4 volte la quella del Sole, si aspettano che il nucleo interno sia per lo più riempito di neutroni. La densità inferiore riesce a garantire che i neutroni rimangano abbastanza distanti, rimanendo così intatti. Questa condizione fa si che si trasformi in una stella più grande.

La densità del nucleo interno, per le stelle di neutroni più massicce come J0740, è molto più grande. Questo crea nel nucleo uno schiacciamento dei neutroni più vicini tra di loro. Al momento non è ancora noto se i neutroni possano rimanere intatti in queste condizioni, o se invece si scompongono in quark. Un’ipotesi è che arrivino a frantumarsi sotto la pressione, ma i dettagli ancora non sono noti.

NICER: la ricerca

Gli scienziati, per fornire delle risposte necessitano di una misura precisa delle dimensioni di una stella di neutroni massiccia. Il NICER, viene utilizzato dagli scienziati per osservare le stelle di neutroni in rapida rotazione, chiamate pulsar. Questo oggetti presentano sulla loro superficie dei punti caldi luminosi che emettono raggi X. La distorsione presente nelle pulsar fa sì che la luce della stella venga reindirizzata verso di noi.

Gli scienziati, tracciando la variazione della luminosità dei raggi X della pulsar mentre ruota, riescono a ricostruire la distorsione dello spazio-tempo. Questo permette loro, attraverso i dati della massa della stella, di tradurre la distorsione in una dimensione.

La ricerca è stata svolta da due team diversi, che hanno utilizzato approcci differenti per riuscire a modellare le dimensioni di J0740. Il primo è stato guidato da Thomas Riley e Anna Watts, rispettivamente un ricercatore post-dottorato e un professore di astrofisica all’Università di Amsterdam. Questi hanno stimato che la pulsar presenti un diametro di circa 24,8 chilometri.

Il secondo team, guidato da Cole Miller, professore di astronomia presso l’università del Maryland, College Park, ha scoperto che J0740 è largo circa 27,4 chilometri.

Stelle a confronto

I team di Riley e Miller, nel 2019, hanno utilizzato i dati NICER per stimare sia le dimensioni che la massa della pulsar J0030 + 0451, in breve J0030. In questo modo hanno determinato che l’oggetto era circa 1,4 volte la massa del Sole e di 26 chilometri di diametro.

Watts, ha spiegato che: “Le nostre nuove misurazioni di J0740 mostrano che, anche se è quasi il 50% più massiccio di J0030, hanno essenzialmente le stesse dimensioni. Ciò mette in discussione alcuni dei modelli più comprimibili di nuclei di stelle di neutroni, comprese le versioni in cui all’interno sono presenti solamente i quark. Le dimensioni, e la massa di J0740, pongono problemi anche per alcuni modelli meno comprimibili, contenenti solo neutroni e protoni”.

I recenti modelli teorici hanno proposto alcune alternative, come ad esempio i nuclei interni contenenti un mix di neutroni, protoni e materia composta da quark. Le possibilità valutate dovranno essere confermate delle nuove informazioni raccolte da NICER.

Sanjay Reddy, professore di fisica presso l’Università di Washington, che studia la materia in condizioni estreme ma che non è stato coinvolto nella scoperta, ritiene che: “Le misurazioni di NICER, combinate con altre osservazioni, sembrano supportare l’idea che la pressione aumenti rapidamente nei massicci nuclei di stelle di neutroni. Questa scoperta, nonostante sfavorisca le transizioni a forme di materia più comprimibili nel nucleo, dev’essere ancora totalmente compresa”.

Il team di Miller, ha anche determinato in che misura gli scienziati possono stimare le dimensioni di una pulsar, utilizzando le misurazioni J0740 e J0030 di NICER. Queste potrebbero integrare le informazioni esistenti da altre pulsar pesanti ed eventi di onde gravitazionali e increspature spazio-temporali generate dalle collisioni di oggetti massicci, come stelle di neutroni e buchi neri.

Miller, conclude spiegando che: “Ora conosciamo il raggio di una stella di neutroni standard, con 1,4 volte la massa del Sole, con un’incertezza del 5%. 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 risultano essere molto distanti e decisamente piccoli”.

Video:

Fonte:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-nicer-probes-the-squeezability-of-neutron-stars