Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era

Nel profondo del cuore dell'universo, dove la gravità schiaccia la materia a densità impossibili da ricreare sulla Terra, si trovano gli oggetti più estremi conosciuti dalla scienza: le stelle compatte. Questi sono i resti di stelle massicce che sono collassate sotto il proprio peso, concentrando più massa del nostro Sole in una sfera larga solo poche decine di chilometri. Per decenni, gli astronomi hanno dibattuto su di cosa siano fatti questi oggetti. La visione standard sostiene che siano stelle di neutroni, ammassi cosmici dove protoni ed elettroni sono stati compressi insieme per formare neutroni, creando un fluido così denso che un singolo cucchiaino peserebbe un miliardo di tonnellate. Tuttavia, un'idea concorrente suggerisce che, sotto una pressione così estrema, persino i neutroni possano rompersi nei loro componenti fondamentali — i quark — creando una stella fatta interamente di una zuppa di quark strana e a flusso libero. Questa questione del fatto che queste stelle siano fatte di neutroni o di quark non è solo una questione di classificazione; tocca le leggi stesse della fisica che governano il modo in cui la materia si comporta ai suoi estremi.

Un nuovo studio condotto da ricercatori della Shanghai Jiao Tong University offre una nuova prospettiva a questo antico enigma trattando l'universo come un gigantesco laboratorio. Invece di assumere che tutte queste stelle collassate siano uguali, il team ha utilizzato un potente metodo statistico per analizzare i dati provenienti da molteplici fonti, inclusi i segnali gravitazionali provenienti dalla collisione di stelle e misurazioni precise di pulsar dai telescopi a raggi X della NASA. Si sono posti una domanda semplice ma profonda: se guardiamo l'intera famiglia di stelle compatte osservate, appartengono tutte alla stessa specie, o ci sono due tipi distinti che vivono fianco a fianco? Confrontando i dati osservati con le previsioni di tre diversi scenari — uno in cui ogni stella è una stella di neutroni, uno in cui ogni stella è una stella di quark, e uno in cui entrambi i tipi coesistono — i ricercatori hanno scoperto che l'universo è probabilmente più diversificato di quanto precedentemente pensato.

I ricercatori non si sono affidati a una singola teoria su come la materia si comporti all'interno di queste stelle. Al contrario, hanno costruito un modello flessibile e basato sui dati che potesse adattarsi a ciò che le osservazioni suggerivano, permettendo ai dati stessi di parlare. Hanno inserito in questo modello informazioni provenienti da sei oggetti celesti specifici: quattro pulsar le cui dimensioni e masse sono state misurate con alta precisione, e le due stelle coinvolte nel famoso evento di onde gravitazionali GW170817, che ha fornito indizi su quanto facilmente queste stelle possano essere schiacciate. Hanno incluso anche i limiti teorici su come la materia si comporta a densità incredibilmente elevate, derivati dalla nostra migliore comprensione della fisica delle particelle. Il team ha poi testato ogni possibile combinazione di queste sei stelle, chiedendosi se ciascuna fosse una stella di neutroni o una stella di quark, per vedere quale disposizione complessiva si adattasse meglio ai dati.

I risultati hanno indicato fortemente verso uno scenario a "due famiglie". Nel caso più probabile, l'universo contiene due rami distinti di stelle compatte. Le stelle più pesanti e massicce appartengono a una famiglia, mentre quelle più leggere ne appartengono a un'altra. Nello specifico, lo studio suggerisce che la pulsar più massiccia osservata, nota come PSR J0740+6620, sia probabilmente una strana stella di quark — un oggetto auto-legato fatto interamente di quark deconfinati. Al contrario, le altre cinque stelle del campione, incluse le due che sono collide per creare le onde gravitazionali, sono meglio descritte come tradizionali stelle di neutroni. Questa scoperta è significativa perché risolve una tensione di lunga data nell'astrofisica. Le stelle di neutroni dovrebbero avere un limite massimo di dimensione; se diventano troppo pesanti, dovrebbero collassare in buchi neri. Eppure, osserviamo pulsar che sono quasi il doppio della massa del Sole. Se tutte le stelle fossero stelle di neutroni, la loro struttura interna dovrebbe essere incredibilmente rigida per sostenere tale peso, ma questa rigidità le renderebbe troppo grandi per adattarsi alle misurazioni dimensionali delle stelle più piccole. Permettendo alla stella pesante di essere un oggetto completamente diverso, lo studio offre una soluzione naturale: la stella pesante è una stella di quark, che può essere molto più massiccia e compatta, mentre le stelle più leggere rimangono stelle di neutroni con una struttura più morbida e flessibile.

Lo studio ha anche rivelato come il suono viaggi attraverso la materia all'interno di queste stelle, una proprietà che indica quanto il materiale sia rigido o morbido. Nello scenario in cui tutte le stelle sono stelle di neutroni, la velocità del suono mostra un picco improvviso e inaspettato a certe densità, una caratteristica che ha per anni confuso i fisici. Tuttavia, nello scenario preferito delle due famiglie, questo picco scompare. Invece, la velocità del suono sale costantemente e poi si stabilizza, un comportamento più fluido che si allinea meglio con le aspettative teoriche su come la materia dovrebbe agire sotto una pressione così schiacciante. Ciò suggerisce che la struttura interna di una stella di neutroni sia fondamentalmente diversa da quella di una stella di quark, e che l'universo non costringa tutte le stelle compatte in un unico stampo.

Sebbene l'evidenza non sia ancora assoluta, il peso statistico dei dati favorisce questa popolazione mista. I ricercatori hanno calcolato che lo scenario delle due famiglie è circa sei volte più probabile dello scenario in cui tutte le stelle sono stelle di quark up-down, e significativamente più probabile rispetto allo scenario in cui tutte le stelle sono stelle di neutroni. Questo livello di fiducia è descritto come "evidenza moderata", il che significa che i dati puntano fortemente in questa direzione ma lasciano spazio a osservazioni future per affinare il quadro. La classificazione della stella più pesante come stella di quark ha profonde implicazioni per la natura stessa della materia. Supporta l'ipotesi che la materia di quark strana possa essere la forma più stabile di materia nell'universo, potenzialmente esistente in uno stato che non decade mai. Se vero, ciò potrebbe significare che minuscoli frammenti di questa materia strana, noti come strangelets, potrebbero essere sopravvissuti dall'universo primordiale e potrebbero persino costituire una forma di materia oscura, sebbene questa rimanga una possibilità speculativa.

Lo studio ha anche testato quanto siano sensibili queste conclusioni al modo in cui gli astronomi interpretano i dati di una specifica pulsar, PSR J0030+0451. A seconda del modello utilizzato per analizzare i punti caldi sulla superficie di questa stella, la classificazione di quella particolare stella potrebbe oscillare tra essere una stella di neutroni o una stella di quark. Tuttavia, l'identificazione della stella più pesante, PSR J0740+6620, come stella di quark è rimasta robusta in tutti i modelli testati. Questa stabilità suggerisce che la distinzione tra le due famiglie sia una caratteristica reale del cosmo, non solo un artefatto di come misuriamo un oggetto specifico. Man mano che nuovi telescopi e rilevatori di onde gravitazionali entrano in funzione, forniranno dati ancora più nitidi, potenzialmente confermando se queste due famiglie di stelle coesistono davvero nel cielo notturno, rivelando una popolazione di resti stellari più complessa e varia di quanto avessimo mai immaginato.