Bayesian approach study of hybrid neutron stars

Nel profondo del cosmo, ben oltre la portata dei nostri telescopi, si trovano alcuni degli oggetti più estremi dell'universo: le stelle di neutroni. Queste sono i nuclei collassati di stelle massicce che sono morte, compressi in sfere larghe solo circa venti chilometri ma che contengono più massa del nostro intero Sole. Al loro interno, la gravità schiaccia la materia così strettamente che gli atomi stessi vengono frantumati, lasciando dietro di sé una densa zuppa di protoni e neutroni. Per decenni, i fisici si sono chiesti se questa pressione vada ancora oltre, costringendo i protoni e i neutroni a rompersi nei loro costituenti fondamentali: i quark. Se ciò accade, il nucleo della stella si trasformerebbe in un nuovo stato della materia, creando ciò che gli scienziati chiamano una "stella ibrida" — un corpo celeste con un nucleo di quark liberi circondato da un guscio di materia nucleare normale. Determinare se questi esotici nuclei esistano è una delle grandi sfide dell'astrofisica moderna, poiché rivelerebbe come la materia si comporta in condizioni che non possono essere ricreate in alcun laboratorio sulla Terra.

Per risolvere questo enigma, un team di ricercatori si è rivolto a un potente metodo statistico noto come analisi bayesiana. Invece di indovinare quale modello di materia possa essere corretto, hanno utilizzato questo approoccio per testare diverse teorie differenti contro dati reali raccolti da strumenti avanzati. Si sono concentrati sulle misurazioni delle masse e delle dimensioni delle stelle di neutroni, raccolte da rilevatori di onde gravitazionali che ascoltano le increspature nello spaziotempo causate dalle collisioni tra stelle, e da telescopi a raggi X che cronometrano gli impulsi di luce provenienti da stelle rotanti. I ricercatori hanno costruito modelli computerizzati di queste stelle, creando due strati distinti per ciascuna di esse: un guscio esterno fatto di materia nucleare normale e un nucleo centrale fatto di materia di quark deconfinati. Hanno testato tre modi diversi per descrivere il guscio esterno, ciascuno basato su ipotesi leggermente diverse su come le particelle interagiscono, e li hanno accoppiati con un modello per il nucleo di quark che includeva parametri specifici per il modo in cui i quark si spingono l'un l'altro e come sono confinati.

Il team ha poi sottoposto i propri modelli a un rigoroso processo di eliminazione. Hanno chiesto alle loro simulazioni al computer di trovare le impostazioni specifiche per il nucleo di quark che permettessero alle stelle ibride risultanti di corrispondere alle masse e alle dimensioni osservate delle reali stelle di neutroni. Fondamentalmente, hanno anche controllato se queste stelle rimanessero stabili e se la transizione dalla materia normale alla materia di quark avvenisse a una densità che avesse senso fisico. I risultati hanno indicato un esito molto specifico. Il modello di maggior successo, che combinava una particolare descrizione del guscio esterno con un set specifico di regole per il nucleo di quark, suggeriva che una transizione di fase a materia di quark potesse avvenire a densità inferiori a due volte la densità dei normali nuclei atomici. Questa scoperta implica che le stelle ibride con grandi nuclei di quark siano una configurazione possibile coerente con i dati, sebbene l'evidenza statistica a favore di questo modello specifico rispetto alle alternative rimanga inconcludente.

Tuttavia, lo studio ha anche evidenziato sfide significative per altre possibilità. Quando i ricercatori hanno testato modelli che includevano particelle strane chiamate iperoni nel guscio esterno, o quando hanno utilizzato diverse descrizioni matematiche per la materia nucleare, le stelle risultanti spesso non riuscivano a corrispondere ai dati osservati o violavano noti limiti fisici. In particolare, molti dei modelli alternativi, inclusi quelli con iperoni, prevedevano stelle che erano o troppo "morbide" o troppo "rigide", oppure suggerivano che la transizione alla materia di quark avverrebbe a densità così elevate che le stelle collasserebbero prima di raggiungere la massa necessaria. L'analisi ha mostato che, sebbene i modelli iperonici non fossero del tutto esclusi come possibilità teorica, essi violavano specifici vincoli derivati dalla cromodinamica quantistica perturbativa (pQCD). Solo un intervallo ristretto di parametri per il nucleo di quark poteva produrre una stella che fosse sia stabile sia coerente con le precise misurazioni delle recenti osservazioni astronomiche, sebbene anche il modello migliore mostrasse alcune tensioni con i limiti teorici.

I ricercatori hanno scoperto che il modello che meglio si adatta prevede una transizione alla materia di quark che avviene a una densità di circa 1,9 volte la densità normale della materia nucleare. A questo punto, il nucleo della stella inizierebbe a cambiare natura, creando una vasta regione di materia di quark all'interno. Lo studio indica che queste stelle ibride avrebbero un raggio di circa 12 chilometri e potrebbero sostenere masse fino a circa 2,1 volte quella del nostro Sole. Questi valori si allineano con le stelle di neutroni più pesanti che abbiamo osservato, come quella nota come PSR J0740+6620, che pesa oltre due masse solari, sebbene lo studio noti che il modello migliore violi comunque specifici vincoli pQCD in certi diagrammi. Le scoperte suggeriscono che l'interno di queste stelle massicce sia probabilmente un complesso mix di fasi, dove l'estrema pressione forza un cambiamento fondamentale nella natura stessa della materia.

Sebbene lo studio fornisca un quadro più chiaro degli interni nascosti degli oggetti più densi dell'universo, esso evidenzia anche i limiti della nostra attuale conoscenza. I ricercatori hanno notato che il momento esatto in cui avviene la transizione dipende fortemente dal modello specifico utilizzato per il guscio esterno della stella. Alcuni modelli suggerivano che la transizione avvenisse prima, mentre altri la spingevano verso densità più elevate, ma solo una combinazione soddisfaceva la maggior parte dei vincoli derivanti dai dati astronomici, nonostante violasse ancora specifici vincoli pQCD in certi diagrammi. Il team ha anche esaminato come la forma della stella cambi quando viene tirata dalla gravità di una stella compagna, una proprietà nota come deformabilità mareale. I loro risultati hanno mostrato che i modelli di maggior successo producono stelle che si deformano in modo coerente con le onde gravitazionali rilevate dalla collisione di due stelle di neutroni nel 2017.

In definitiva, questo lavoro offre un'immagine più chiara degli interni nascosti degli oggetti più densi dell'universo. Combinando misurazioni astronomiche precise con sofisticati strumenti statistici, i ricercatori hanno ristretto le possibilità su ciò che si trova al cuore di una stella di neutroni. Hanno dimostrato che un grande nucleo di quark è una caratteristica plausibile di questi giganti cosmici, a condizione che le leggi che governano la transizione tra materia normale e materia di quark seguano un percorso specifico, anche se l'evidenza statistica per questo scenario specifico non è ancora definitiva. Questo non prova che ogni stella di neutroni abbia un nucleo di quark, ma dimostra che tale configurazione è compatibile con gran parte di ciò che attualmente sappiamo dell'universo. Man mano che nuovi dati arriveranno da strumenti più sensibili, questi modelli saranno ulteriormente testati, potenzialmente rivelando la vera natura della materia al limite stesso dell'esistenza.