Gli scienziati sono prossimi a svelare un mistero dell’universo. Una analisi effettuata da un supercomputer sulle stelle di neutroni ha rivelato che esiste una probabilità che questi corpi assomiglino ad un nucleo atomico. La parte centrale di queste stelle dovrebbero avere nuclei pieni di quark liberi. Queste particelle subatomiche fondamentali dovrebbero legate insieme ad altre particelle come protoni e neutroni.
Ma se i nuclei delle stelle di neutroni fossero effettivamente pieni di quark liberi, sarebbero composti da una forma esotica della materia chiamata materia di quark freddi. E nella materia dei quark freddi, non possono esistere singoli protoni e neutroni e di conseguenza gli atomi non possono esistere. Se le indagini fossero confermate, ciò renderebbe le stelle di neutroni dei nuclei atomici enormi.
Le stelle di neutroni
“È affascinante vedere concretamente come ogni nuova osservazione di stelle di neutroni ci permette di dedurre le proprietà della materia delle stelle di neutroni con crescente precisione”, ha affermato l’autore principale della ricerca pubblicata su Nature (rif.) Joonas Nättilä in una nota (rif.).
Le stelle di neutroni nascono quando stelle con massa compresa tra 10 e 20 volte quella del Sole esauriscono il combustibile per la fusione nucleare che avviene nei loro nuclei. Ciò si traduce nel blocco dell’espulsione dell’energia verso l’esterno che mantienie stabile la stella contro la pressione interna della sua stessa gravità.
Quando la gravità vince questo tiro alla fune cosmico, il nucleo della stella collassa. Quando accade, il materiale esterno, dove è ancora in atto la fusione nucleare, viene spazzato via da una massiccia esplosione di supernova. Ciò lascia il nucleo stellare con una massa compresa tra una e due volte quella del Sole, condensata in 20 chilometri. La massiva riduzione delle dimensioni della stella di neutroni, crea materia così densa, che un semplice blocco delle dimensioni di una zolletta di zucchero peserebbe circa 1 miliardo di tonnellate.
Inferenza Bayesiana
La fatidica domanda è: di cosa è fatta questa materia esotica ? E, più in generale, le condizioni nelle regioni più dense delle stelle di neutroni possono davvero creare una fase completamente nuova della materia chiamata materia di quark freddi, come un nucleo atomico ?
Gli scienziati non possono visitare le stelle di neutroni per ottenere un campione di questo materiale. D’altra parte le stelle di neutroni più vicine si trovano a circa 400 anni luce di distanza. L’unica cosa da fare fare è simulare le condizioni sotto la superficie delle stelle utilizzando una potente combinazione di dati astronomici reali e supercomputer.
Questa nuova ricerca ha utilizzato un tipo di deduzione statistica chiamata inferenza bayesiana. La deduzione statistica calcola la probabilità di diversi parametri del modello effettuando confronti diretti con i dati osservativi. Il calcolo ha permesso al team di determinare i confini della materia delle stelle di neutroni, portando l’equipe a concludere con un alto grado di probabilità la presenza di materia di quark freddi. Inoltre il meccanismo suggerisce anche che nelle stelle di neutroni esista uno stato della materia non nucleare, in cui i quark possono esistere deconfinati.
Il passaggio da materia nucleare a materia dei quark
“I quark e gluoni che li costituiscono sono invece liberati dal loro tipico confinamento e possono muoversi quasi liberamente”, ha detto nella dichiarazione Aleksi Vuorinen, professore di fisica teorica all’Università di Helsinki. Le simulazioni del supercomputer del team suggeriscono una probabilità inferiore al 20% che la materia all’interno delle stelle di neutroni subisca un rapido cambiamento di stato.
Un cambiamento così rapido nella materia, potrebbe destabilizzare le stelle di neutroni in un modo tale da far collassare anche una minuscola materia di quark, dando vita a un buco nero. La ricerca ha anche suggerito che l’esistenza di nuclei di quark e materia potrebbe essere pienamente confermata in futuro con alcune ulteriori analisi.
“Abbiamo dovuto utilizzare milioni di ore di CPU per essere in grado di confrontare le nostre previsioni teoriche con le osservazioni e per limitare la probabilità della presenza di nuclei di quark e materia”, ha detto Joonas Hirvonen, membro del team.
La chiave sarebbe determinare la forza della transizione di fase dalla materia nucleare alla materia dei quark. Questa variazione potrebbe essere possibile quando i rilevatori di onde gravitazionali diventeranno abbastanza sensibili da sentire minuscole increspature nello spazio-tempo. Tuttavia, anche con dati osservativi migliorati, modelli migliori richiederanno comunque una grande quantità di tempo e potenza di calcolo.
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