Stelle di neutroni: ecco come si raffreddano questi corpi celesti

Quando una stella gigante muore con una spettacolare esplosione in supernova, lascia dietro di se un fantasma molto particolare, una stella di neutroni. Le stelle di neutroni sono dei nuclei vorticosi di materia molto particolare, così caldi che impiegano eoni per raffreddarsi. Ed ora i ricercatori sembrano aver determinato il meccanismo di raffreddamento di questi corpi celesti dalla fisica straordinaria.

Le stelle di neutroni si raffreddano rilasciando neutrini, e questo nuovo studio mostra che svolgono questo compito grazie ad un tipo di materia intermedio noto come pasta nucleare. Un materiale ondulato e arrotolato in cui gli atomi quasi si impastano insieme. Questa struttura di pasta nucleare crea regioni a bassa densità all’interno delle stelle che permettono ai neutrini e al calore di sfuggire dal cuore della stella infuocata.

Un viaggio nel cuore delle stelle di neutroni

Per determinare come le stelle di neutroni riescano ad emettere neutrini per raffreddarsi, i ricercatori hanno esaminato nel dettaglio la materia all’interno di questi furiosi fantasmi stellari. Al loro interno queste stelle sono così dense e compatte che la struttura degli atomi si rompe creando quella che viene chiamata materia nucleare, un insieme molto denso di protoni e neutroni. La materia nucleare è straordinariamente governata da regole complesse a tal punto che i ricercatori ancora non le comprendono e conoscono appieno.

Questa sorta di pasta scoperta dai ricercatori di questo studio consisterebbe nella fase intermedia tra la materia convenzionale e quella nucleare, come spiega il coautore della ricerca, Charles Horowitz, fisico presso l’Illinois State University. Horowitz spiega infatti che la spropositata pressione sulla materia nelle stelle di neutroni, fa si che “i nuclei si avvicinano sempre di più e alla fine inizino a toccarsi. E quando iniziano a toccarsi, accadono cose strane.”

La pressione aumenta a tal punto che la struttura della materia convenzionale collassa completamente in un brodo nucleare indifferenziato. E la zona di transizione, in cui questo processo non è ancora completo e la materia non è più convenzionale, ma non è ancora nucleare, è quella che i ricercatori hanno identificato come pasta, la zona di transizione tra l’una e l’altra.

In questa zona la repulsione di Coulomb e l’attrazione nucleare iniziano ad agire l’una contro l’altra. Nelle regioni in cui i nuclei si toccano ma la struttura atomica non si è completamente scomposta, la materia si contorce in forme complicate, chiamate pasta proprio perché “sembrano davvero forme di pasta”, come ha affermato Horowitz.

Per raffreddarsi servono neutrini

Gli scienziati erano a conoscenza dell’esistenza di questa zona all’interno di stelle di neutroni e sapevano anche che le emissioni di neutrini aiutano a raffreddare le stelle di neutroni. Ma questo nuovo studio, mette ora insieme le due cose, mostrando come la pasta aiuti a liberare i neutrini.

L’autore principale dello studio Zidu Lin, ricercatore post-dottorato dell’Università dell’Arizona, ha progettato una serie di vaste simulazioni al computer che hanno mostrato come i neutrini potrebbero emergere in questo ambiente misterioso e con regole così complesse.

La formula base per produrre un neutrino in una stella di neutroni è semplice: un neutrone decade, trasformandosi in un protone a bassa energia leggermente più leggero e in un neutrino ultraleggero. Ma le condizioni devono essere giuste affinché questo avvenga, e in una stella di neutroni, le condizioni sembrano essere tutto fuorché giuste.

Le stelle di neutroni hanno ovviamente molti neutroni, che sfrecciano ad alte energie con una notevole quantità di moto e spinta. Ma per avere un neutrino deve prodursi un protone a bassa energia e quasi senza quantità di moto. Tutto il moto del neutrone non può quindi semplicemente sparire. Per il principio di conservazione dell’energia, la spinta ed il moto dei neutroni deve essere conservato, liberandosi nell’ambiente circostante.

La pasta permette alle stelle di neutroni di raffreddarsi

Ma come può il moto disperdersi nell’ambiente denso e rigido della materia nucleare di una stella di neutroni? I modelli fino ad ora presentati non riescono di fatto a spiegare come la materia nucleare possa assorbire abbastanza quantità di moto da consentire ai neutrini di sfuggire dal nucleo delle stelle di neutroni.

Questo nuovo modello, presentato dal dott. Lin e dai suoi collaboratori, ha mostrato che è proprio la pasta nucleare a risolve gran parte di questo problema. La pasta presenta infatti delle regioni a bassa densità e può comprimersi, assorbendo lo slancio dei neutroni con un movimento increspato.

I ricercatori hanno dimostrato che le emissioni di neutrini dalla pasta nucleare sono probabilmente molto più efficienti delle emissioni di neutrini nel nucleo di queste stelle. Ciò significa che la pasta è probabilmente responsabile di gran parte del raffreddamento. Questa ricerca, secondo Horowitz, suggerisce che le stelle di neutroni si raffreddano più lentamente del previsto. Ciò significa che vivono più a lungo.

Foto di beate bachmann da Pixabay