Le stelle di neutroni massicce possono avere nuclei costituiti da materia di quark non confinata

I nuclei delle stelle di neutroni contengono la materia con la più alta densità nel nostro universo. Questa materia estremamente compatta può subire una transizione di fase in cui la materia nucleare si scioglie in materia di quark non confinata, rilasciando i suoi quark e gluoni costituenti. Ma al momento non è noto se la trasformazione avvenga almeno all’interno di alcune stelle di neutroni fisiche. In un nuovo studio, i fisici dell’Università di Helsinki, dell’Università di Stavanger, del Flatiron Institute e della Columbia University hanno misurato questa possibilità combinando informazioni provenienti da osservazioni astrofisiche e calcoli teorici.

Le stelle di neutroni sono oggetti astrofisici estremi che contengono la materia più densa presente nell'universo attuale.

Ha un raggio di circa 10 chilometri (6 miglia) e una massa di circa 1,4 masse solari.

“C'è da tempo un problema aperto: se l'enorme pressione centrale delle stelle di neutroni possa comprimere protoni e neutroni in una fase chiamata materia di quark freddi. In questo strano stato, i singoli protoni e neutroni non esistono più”, ha affermato il professor Alexei Vorinen dell'Università di Università di Helsinki.

“Invece, i quark e i gluoni che li costituiscono vengono rilasciati dal loro tipico confinamento di colore e possono muoversi quasi liberamente”.

Nel loro nuovo articolo, il professor Vuorinen e i suoi colleghi forniscono la prima stima quantitativa della possibile esistenza di nuclei di quark all’interno di stelle di neutroni massicce.

Hanno dimostrato, sulla base delle attuali osservazioni astrofisiche, che la materia di quark è quasi inevitabile nelle stelle di neutroni più massicce: la stima quantitativa che hanno estratto colloca la probabilità nell’intervallo dell’80-90%.

La piccola possibilità rimasta che tutte le stelle di neutroni siano costituite solo da materia nucleare richiede che la transizione dalla materia nucleare alla materia di quark sia una forte transizione di fase del primo ordine, un po’ come l’acqua liquida che si trasforma in ghiaccio.

Questo tipo di rapido cambiamento nelle proprietà della materia di una stella di neutroni ha il potenziale per destabilizzare la stella in modo tale che la formazione di un piccolo nucleo di materia di quark provochi il collasso della stella in un buco nero.

Una rappresentazione artistica dei diversi strati all'interno di una stella di neutroni massiccia, dove il cerchio rosso rappresenta un grande nucleo di quark. Credito immagine: Jyrki Hokkanen, CSC.

“L’elemento chiave nel trarre le nuove conclusioni è stato una serie di massicci calcoli effettuati da un supercomputer utilizzando l’inferenza bayesiana, un ramo dell’inferenza statistica in cui si deducono le probabilità di vari parametri del modello attraverso il confronto diretto con i dati osservativi”, hanno spiegato gli autori.

“La componente bayesiana ci ha permesso di ricavare nuovi limiti sulle proprietà della materia delle stelle di neutroni, dimostrando che si avvicina al cosiddetto comportamento conforme vicino ai nuclei delle stelle di neutroni stabili più massicce”.

Il dottor Jonas Nattila dell’Università di Helsinki ha aggiunto: “È sorprendente vedere concretamente come ogni nuova osservazione di una stella di neutroni ci permetta di dedurre le proprietà della materia delle stelle di neutroni con crescente precisione”.

“Abbiamo dovuto utilizzare milioni di ore di CPU del tempo del supercomputer per poter confrontare le nostre previsioni teoriche con le osservazioni e limitare la possibilità di nuclei di quark”, afferma Jonas Hirvonen, studente di dottorato presso il Flatiron Institute e la Columbia University.

“Siamo molto grati al Centro finlandese dei supercomputer CSC per averci fornito tutte le risorse di cui abbiamo bisogno”.

IL carta È stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura.

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E analà et al. 2023. La materia fortemente interagente mostra un comportamento illimitato nelle stelle di neutroni massicce. Nat Comune 14, 8451; doi: 10.1038/s41467-023-44051-y