Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

Nel profondo degli oggetti più estremi dell'universo, la materia viene schiacciata a densità che non possono essere create in alcun laboratorio sulla Terra. Questi oggetti sono le stelle di neutroni, i residui super-densi di stelle massicce che sono esplose. Per decenni, i fisici hanno dibattuto su cosa si trovi proprio al centro di queste stelle. Mentre gli strati esterni sono composti da nuclei atomici familiari, il nucleo potrebbe essere così compresso che protoni e neutroni si dissolvono in una zuppa delle loro parti costituenti, note come quark. Questo passaggio dalla materia nucleare ordinaria a un nucleo di quark è chiamato transizione di fase, simile a come l'acqua si trasforma in ghiaccio, ma accade sotto condizioni di pressione e gravità immense. Capire se questo accada, e come, è cruciale perché rivelerebbe le regole fondamentali che governano il modo in cui la materia si comporta quando viene compressa al suo limite assoluto.

Un nuovo studio condotto da ricercatori in Germania e Irlanda esplora cosa accadrebbe se una tale transizione avvenisse all'interno di una stella di neutroni giovane e calda, nota come proto-stella di neutroni. Queste stelle nascono nel violento seguito di un'esplosione di supernova e si stanno ancora raffreddando mentre inghiottono altro materiale dai loro dintorni. I ricercatori hanno investigato uno scenario specifico in cui il nucleo della stella cambia improvvisamente da materia normale a materia di quark. Hanno scoperto che questo evento non sarebbe solo un silenzioso cambiamento interno; scatenerebbe un segnale drammatico, diviso in due parti, che potrebbe essere rilevato da futuri strumenti. L'evento invierebbe increspature nello spazio-tempo, note come onde gravitazionali, a due velocità molto diverse contemporaneamente, rilasciando anche un'ondata di particelle fantasmatiche chiamate neutrini.

I ricercatori hanno costruito una vasta collezione di modelli informatici per simulare questo processo. Invece di indovinare una singola risposta su come si comporti la materia, hanno creato migliaia di versioni possibili della struttura interna della stella di neutroni, tutte coerenti con le leggi note della fisica e le osservazioni di stelle reali. Hanno poi osservato come queste stelle simulate evolvessero mentre accumulavano massa. In molti di questi modelli, il peso aggiunto finiva per spingere il nucleo oltre un punto critico, forzando la conversione improvvisa in materia di quark. Il team ha calcolato esattamente che tipo di segnale questa conversione produrrebbe. Hanno scoperto che l'evento crea due tipi distinti di onde gravitazionali. Il primo è un brontolio a bassa frequenza, nell'ordine dei kilohertz, causato dall'aggiustamento della forma complessiva della stella mentre il nucleo si restringe e diventa più denso. Il secondo è un impulso a frequenza molto più alta, nell'ordine dei megahertz, causato dalla collisione microscopica di piccole bolle della nuova materia di quark mentre si formano ed espandono attraverso la stella.

Questi due segnali sono legati in un modo che potrebbe aiutare gli scienziati a decodificare la fisica della transizione. L'onda a bassa frequenza ci dice informazioni sulla dimensione e sulla struttura complessiva della stella, mentre l'impulso ad alta frequenza rivela dettagli sul processo microscopico di formazione e collisione delle bolle. Lo studio mostra che se potessimo rilevare entrambi i segnali dallo stesso evento, potremmo usare l'informazione proveniente dall'onda a bassa frequenza per restringere le possibilità per quella ad alta frequenza. Ciò ci permetterebbe di misurare proprietà che sono attualmente impossibili da determinare, come la tensione superficiale del confine tra i due tipi di materia. I ricercatori hanno anche scoperto che questo evento sarebbe accompagnato da un secondo impulso di neutrini, che arriva alcuni centinaia di millisecondi o un paio di secondi dopo l'esplosione iniziale. Questo ritardo è determinato dal tempo necessario alla stella per accumulare abbastanza massa da innescare la transizione.

Le scoperte suggeriscono che catturare questo segnale multi-messaggero sarebbe una grande svolta. Sebbene gli attuali rilevatori di onde gravitazionali siano abbastanza sensibili da sentire il brontolio a bassa frequenza, non sono ancora in grado di sentire l'impulso ad alta frequenza dei megahertz. Tuttavia, lo studio sottolinea che la prossima generazione di rilevatori, che è attualmente in fase di pianificazione, potrebbe potenzialmente sentire entrambi. Se un futuro osservatorio rilevasse l'onda a bassa frequenza e uno strumento specializzato ad alta frequenza cogliasse il simultaneo impulso ad alta frequenza, insieme al segnale ritardato dei neutrini, ciò fornirebbe un quadro completo della transizione di fase. Questo confermerebbe che la materia di quark esiste nei nuclei delle stelle di neutroni e ci darebbe il nostro primo sguardo diretto su come la materia si comporta nelle condizioni più estreme del cosmo. La ricerca non sostiene di aver già trovato questo segnale, ma fornisce una chiara tabella di marcia su cosa cercare e come interpretarlo quando la tecnologia sarà all'altezza.