Indagare sui misteri delle stelle di neutroni con un’incredibile controparte terrestre: Ars Technica

Indagare sui misteri delle stelle di neutroni con un’incredibile controparte terrestre: Ars Technica
Ingrandire / La spettroscopia indica la presenza di silice nel residuo di supernova, Cassiopeia A.

NASA/JPL-Caltech/O. Krause (Osservatorio Steward)

Dalla scoperta delle stelle di neutroni, i ricercatori hanno utilizzato le loro insolite proprietà per esaminare il nostro universo. I resti ultra densi di esplosioni stellari, le stelle di neutroni raccolgono massa più del sole in una palla delle dimensioni di San Francisco. Una tazza di questo materiale stellare potrebbe pesare quanto il Monte Everest.

Questi strani corpi celesti possono avvisarci di perturbazioni lontane nel tessuto dello spazio-tempo, insegnarci la formazione degli elementi e rivelare i misteri di come la gravità e la fisica delle particelle funzionano in alcune delle condizioni più estreme dell’universo.

“Sono al centro di molte questioni aperte in astronomia e astrofisica”, afferma l’astrofisica Vanessa Graber dell’Istituto di scienze spaziali di Barcellona.

Ma per interpretare con precisione alcuni dei segnali delle stelle di neutroni, i ricercatori devono prima capire cosa sta succedendo al loro interno. Hanno la loro intuizione, ma fare gli esperimenti direttamente su una stella di neutroni è fuori discussione. Quindi gli scienziati hanno bisogno di un altro modo per testare le loro teorie. Il comportamento della materia in un oggetto così super denso è così complesso che anche le simulazioni al computer non sono all’altezza del compito. Ma i ricercatori pensano di aver trovato una soluzione: una controparte terrestre.

Sebbene le giovani stelle di neutroni possano avere temperature di milioni di gradi al loro interno, i neutroni sono considerati “freddi” su un’importante scala di energia. I fisici pensano che questa sia una proprietà che possono sfruttare per studiare il funzionamento interno delle stelle di neutroni. Invece di guardare il cielo, i ricercatori guardano le nuvole di atomi estremamente freddi creati nei laboratori qui sulla Terra. E potrebbe finalmente aiutarli a rispondere ad alcune domande di vecchia data su questi misteri.

anomalia spaziale

L’esistenza delle stelle di neutroni fu proposta per la prima volta nel 1934, due anni dopo l’esistenza delle stelle di neutroni Scoperta Il neutrone stesso, quando gli astronomi Walter Bade e Fritz Zwicky lui si chiedeva Se un corpo celeste fatto interamente di neutroni potesse sopravvivere all’esplosione di una supernova. Anche se non hanno capito bene tutti i dettagli, la loro idea generale è ora ampiamente accettata.

Le stelle si rafforzano fondendo i nuclei degli atomi più leggeri nei nuclei degli atomi più pesanti. Ma quando le stelle esauriscono quegli atomi più leggeri, la fusione nucleare si interrompe e non c’è più alcuna pressione esterna per combattere la forza di gravità interna. Il nucleo collassa e lo strato esterno della stella accelera verso l’interno. Quando questo strato colpisce il nucleo denso, rimbalza indietro ed esplode verso l’esterno, producendo una supernova. Il nucleo denso che rimane dopo è una stella di neutroni.

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Resto di una supernova osservata nell'anno 1054, la Nebulosa del Granchio contiene una stella di neutroni in rapida rotazione nota come pulsar.
Ingrandire / Resto di una supernova osservata nell’anno 1054, la Nebulosa del Granchio contiene una stella di neutroni in rapida rotazione nota come pulsar.

Fonte: NASA: RAGGI X: CHANDRA (CXC), OTTICA: HUBBLE (STSCI), INFRAROSSI: SPITZER (JPL-CALTECH)

Le ipotetiche stelle di neutroni di Zwicky e Paddy furono scoperte solo negli anni ’60. Il radioastronomo Jocelyn Bell Burnell ha notato uno strano segnale radio pulsante dallo spazio mentre lavorava come studente laureato presso l’Università di Cambridge. stavano scoprendo Qualcosa di mai visto primaUn tipo speciale di stella di neutroni chiamata pulsar, che emette raggi di radiazione a intervalli regolari mentre ruota, come un faro. (Il suo consigliere e direttore dell’osservatorio, ma non Bill Burnell, ricevette in seguito un premio Nobel per la scoperta.)

Da allora sono state scoperte migliaia di stelle di neutroni. Essendo alcuni degli oggetti più densi e con la più alta pressione nell’universo, le stelle di neutroni possono aiutarci a capire cosa succede alla materia a densità estremamente elevate. Comprendere la sua struttura e il comportamento della sua materia di neutroni costituenti è di fondamentale importanza per i fisici.

Gli scienziati sanno già che i neutroni, i protoni e le altre particelle subatomiche che compongono una stella di neutroni si dispongono in modo diverso a seconda di dove si trovano nella stella. In alcune sezioni, sono impacchettati rigidamente come molecole d’acqua in un blocco di ghiaccio. In altri casi scorre e ruota come un fluido privo di attrito. Ma esattamente dove avviene la transizione e come si comportano le diverse fasi della materia, i fisici non sono sicuri.

Una stella ultradensa nata da una palla di fuoco nucleare sembra, a prima vista, avere ben poco in comune con una nuvola diluita di particelle ultraraffreddate. Ma possono condividere almeno una proprietà utile: sono entrambi al di sotto di una soglia nota come temperatura di Fermi che dipende – ed è calcolata – dal materiale di cui è fatto ciascun sistema. Qualsiasi sistema ben al di sopra di questa temperatura si comporterà più o meno secondo le leggi della fisica classica; Se fosse molto meno, il suo comportamento sarebbe governato dalla meccanica quantistica. afferma Christopher Pethek, fisico teorico presso il Niels Bohr Institute di Copenaghen e coautore di un primo libro Una panoramica delle stelle di neutroni Nel 1975 Annual Review of Nuclear ScienceH.

faro cosmico

La materia al di sotto della temperatura di Fermi può obbedire a leggi universali osservabili. Questa universalità significa che sebbene non abbiamo un facile accesso alla materia delle stelle di neutroni a diversi milioni di ordini di grandezza, possiamo conoscere parte del suo comportamento sperimentando i gas estremamente freddi che possono essere creati e manipolati nelle camere a vuoto di laboratorio sulla Terra , afferma l’astrofisico teorico James Latimer della Stony Brook University di New York, autore di A Riassunto della scienza nucleare Nella Rassegna annuale 2012 delle scienze nucleari e delle particelle.

Di particolare interesse per Lattimer è uno stato teorico chiamato gas monoatomico. Un gas è unitario quando il campo di influenza di ciascuna delle sue particelle diventa infinito, il che significa che si influenzeranno a vicenda indipendentemente dalla distanza tra loro. È impossibile ottenerlo nella realtà, ma le nuvole di atomi estremamente fredde possono avvicinarsi, e così anche la materia all’interno delle stelle di neutroni. “È simile a una monogas, ma non è una monogas perfetta”, afferma Latimer.

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i piedi per terra

Per molto tempo, l’esatta relazione tra pressione e densità del gas è stata troppo complessa per essere calcolata con precisione. Ma quando i fisici sperimentali hanno sviluppato la capacità di controllare e sintonizzare le nuvole di atomi freddi per avvicinarsi molto a un gas unitario, questo ha aperto una nuova strada per caratterizzare un tale gas: basta misurarlo direttamente, piuttosto che litigare per discutere sul gas . Matematica poco pratica su un computer.

Queste nubi atomiche molto fredde sono in realtà più simili a gas monoatomici che a materia di stelle di neutroni, quindi l’analogia non è perfetta. Ma è abbastanza vicino che Lattimer è stato in grado di effettuare misurazioni gassose quasi monocromatiche da nubi di atomi freddi e applicarle alla materia di neutroni per migliorare alcuni modelli teorici che descrivono il funzionamento interno delle stelle di neutroni. E gli esperimenti con atomi freddi potrebbero aiutare gli scienziati a sviluppare teorie su ciò che la fisica potrebbe essere in gioco in alcuni dei fenomeni inspiegabili delle stelle di neutroni.

In particolare, Graber e altri scienziati sperano di trovare indizi su uno dei più grandi misteri, chiamato glitch nelle pulsar. In generale, i rintocchi dell'”orologio” della pulsar a tempo regolare sono così affidabili che la loro accuratezza è paragonabile a quella degli orologi atomici. Ma non sempre: a volte, la velocità di rotazione di una pulsar aumenta improvvisamente, causando un problema tecnico. Non è chiaro da dove provenga questa grinta in più. La risposta sta nel modo in cui questa materia si muove all’interno di una stella di neutroni.

Sia i gas freddi che la materia di neutroni in alcune parti di una stella di neutroni sono superfluidi: particelle che scorrono senza alcun attrito. Quando un superfluido ruota, si sviluppano minuscoli vortici. Come esattamente questi vortici si muovono e interagiscono tra loro e con altre strutture all’interno di una stella di neutroni in rotazione è ancora una questione aperta. “Forse non è questa bella rete uniforme di vortici”, dice Michael McNeil Forbes, che studia fisica teorica alla Washington State University di Pullman. “Potrebbero esserci dei vortici vorticosi nell’intera stella. Non lo sappiamo.”

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Forbes e altri sospettano che le lacune osservate nella rotazione della pulsar abbiano qualcosa a che fare con il modo in cui questi vortici sono “ancorati” nelle strutture della stella. In generale, un singolo vortice serpeggia liberamente attorno a un liquido. Ma quando il fluido contiene una regione di materia rigidamente imballata che impedisce il movimento del vortice, il vortice si fermerà e talvolta avvolgerà le sue braccia avvolgenti attorno al corpo solido e si posizionerà in modo che il suo centro sia direttamente sopra di esso.

I vortici tendono a rimanere bloccati in questo modo, ma a volte possono sganciarsi e allontanarsi dall’oggetto. Quando ciò accade, il flusso del fluido esercita una coppia sul corpo. Se centinaia di migliaia di vortici si staccano contemporaneamente da diverse strutture in una stella di neutroni, possono improvvisamente accelerare la rotazione della stella. Forbes spiega come così tanti vortici possono staccarsi contemporaneamente: “Come far cadere la sabbia su un mucchio di sabbia, non succede nulla fino a quando … non ottieni una valanga in piena regola”.

Ma è quasi impossibile per i computer classici calcolare con precisione tutte le complessità della danza di così tanti vortici contemporaneamente. Quindi Forbes ha in programma di collaborare con gruppi sperimentali che possono modellare questi vortici nelle loro nuvole di atomi freddi e vedere cosa succede. L’idea è di usare “esperimenti con atomi freddi come computer quantistici analogici per calcolare cose che non potremmo fare in nessun altro modo”, dice.

I ricercatori sono impegnati a esaminare come altri fenomeni estremamente freddi che vedono regolarmente in laboratorio potrebbero ispirare nuove linee di ricerca sul comportamento delle stelle di neutroni. Di recente, Graber e colleghi hanno spiegato Tante possibilità Servono 125 pagine per pubblicarlo tutto. Nel 2019 decine di astronomi, fisici nucleari e fisici atomici criogenici provenienti da tutto il mondo si sono riuniti per partecipare Discutere più snap link tra i loro campi. I ricercatori stanno appena iniziando a testare alcune delle idee generate da questi brainstorming.

Pethick dice che stanno anche imparando di più dalle stelle stesse. “È un campo entusiasmante, perché al momento ci sono molte osservazioni in arrivo”.

Con telescopi migliori e nuovi metodi per ottenere proprietà sul misterioso interno di una stella di neutroni, gli scienziati possono sperare di vedere fino a che punto può essere portata questa somiglianza tra atomi freddi e stelle di neutroni.

Katie McCormick Fisico diventato scrittore scientifico che vive a Sacramento, in California. Nella sua vita precedente, ha trascorso un appuntamento post-dottorato sperimentando atomi ultrafreddi come quello di questa storia. Questo articolo è apparso originariamente in Nota rivista, uno sforzo giornalistico indipendente da Annual Reviews. Iscrizione le notizie.

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