Adiabatic evolution of hadronic neutron stars

Nel profondo del cosmo, dove la gravità schiaccia la materia in stati che non possono essere replicati in alcun laboratorio sulla Terra, giacciono le stelle di neutroni. Queste sono i nuclei collassati di stelle massicce che sono morte in esplosioni spettacolari, lasciandosi alle spalle oggetti così densi che un singolo cucchiaino del loro materiale peserebbe un miliardo di tonnellate. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di comprendere le regole che governano questa materia estrema, chiedendosi cosa accada quando si comprimono protoni e neutroni insieme finché non si rompono o si trasformano in particelle più strane. La risposta risiede nell' "equazione di stato", un insieme di regole fisiche che descrive come la pressione e la densità si relazionano tra loro all'interno di questi cadaveri stellari. Questa relazione è cruciale perché detta quanto possa diventare pesante una stella di neutroni prima di collassare in un buco nero, e come si comporta quando ruota o quando nasce nelle conseguenze infuocate di una collisione stellare. Comprendere queste regole aiuta gli astronomi a decodificare i segoli delle onde gravitazionali — increspature nello spazio-tempo causate da violenti eventi cosmici — e a determinare il destino degli oggetti che restano dietro.

Un team di ricercatori ha costruito ora una nuova, dettagliata mappa di questa materia estrema per esplorare come le stelle di neutroni evolvano nel tempo, particolarmente nei momenti che seguono la loro violenta nascita. Si sono concentrati su due scenari specifici: la nascita di una stella di neutroni dal collasso di una stella massiccia e il resto lasciato dietro dopo che due stelle di neutroni si scontrano l'una con l'altra. In entrambi i casi, l'oggetto appena nato è incredibilmente caldo, ruota rapidamente ed è pieno di particelle intrappolate chiamate neutrini che non possono sfuggire immediatamente. I ricercatori volevano sapere come queste condizioni cambino la struttura della stella e se essa sopravviva o collassi in un buco nero mentre si raffredda e rallenta la sua rotazione. Per farlo, hanno sviluppato un nuovo modello che tiene conto della presenza di iperoni, che sono cugini più pesanti dei protoni e dei neutroni che compongono la materia ordinaria, e di come queste particelle si comportano quando la stella è calda e in rotazione.

Il team ha utilizzato un sofisticato modello informatico per simulare il comportamento della materia in queste condizioni estreme. Hanno iniziato creando una descrizione dell'interno della stella che includesse non solo protoni e neutroni, ma anche la possibilità che gli iperoni appaiano quando la densità diventa abbastanza alta. Hanno anche incluso gli effetti del calore e il fatto che, per un breve periodo dopo la nascita di una stella, i neutrini sono intrappolati all'interno, incapaci di sfuggire. Eseguendo le loro simulazioni, sono stati in grado di calcolare il peso massimo che una stella può sostenere in diverse condizioni. Hanno scoperto che la presenza di iperoni cambia significativamente le regole. In una stella fredda e morta, l'aggiunta di iperoni rende la materia più "morbida", il che significa che è più facile da comprimere, il che abbassa il peso massimo che la stella può reggere prima di collassare. Tuttavia, la storia cambia quando la stella è calda e piena di neutrini intrappolati. In questo ambiente specifico, i neutrini intrappolati rendono effettivamente la materia più "rigida" o difficile da comprimere, permettendo alla stella di sostenere più peso di quanto potrebbe fare se i neutrini fossero liberi di sfuggire.

I ricercatori hanno poi applicato queste scoperte al complesso ciclo di vita di un resto di stella di neutroni. Hanno immaginato l'evoluzione della stella come una serie di istantanee, partendo dal momento della sua nascita quando ruota selvaggiamente e in modo differenziale — il che significa che il centro ruota a una velocità diversa rispetto agli strati esterni. Con il passare del tempo, la stella perde questa rotazione differenziale e si assesta in una rotazione rigida, mentre simultaneamente si raffredda e perde i suoi neutrini intrappolati. Il team ha tracciato il percorso della stella attraverso queste fasi per vedere se rimanesse stabile o collassasse. Hanno testato il loro modello contro eventi cosmici reali, specificamente i segnali di onde gravitazionali da due famose collisioni di stelle di neutroni rilevate da osservatori sulla Terra. Uno di questi eventi, noto come GW170817, ha coinvolto due stelle che si sono fuse formando un resto che è durato per un certo tempo prima di collassare. L'altro, GW190425, ha coinvolto una coppia molto più pesante che è collassata quasi istantaneamente.

I risultati delle loro simulazioni hanno offerto una chiara distinzione tra i due esiti. Per la collisione più pesante, GW190425, il modello ha confermato che il resto era semplicemente troppo pesante per sopravvivere, collassando in un buco nero quasi immediatamente, indipendentemente dal fatto che la materia all'interno contenesse iperoni o meno. Tuttavia, per la collisione più leggera, GW170817, la presenza di iperoni ha fatto una differenza critica. Se il resto fosse stato fatto di materia ordinaria, le simulazioni suggerivano che avrebbe potuto sopravvivere come una stella di neutroni rotante per un po' prima di collassare eventualmente. Ma se il resto conteneva iperoni, la stella sarebbe collassata in un buco nero molto prima, non appena avesse perso la sua rapida rotazione differenziale. Ciò suggerisce che la composizione interna della stella agisce come un timer, determinando quanto tempo una stella di neutroni appena nata possa sopravvivere prima che la gravità vinca.

Lo studio ha anche rivelato che il modo in cui una stella ruota gioca un ruolo massiccio nella sua sopravvivenza. Quando una stella ruota in modo differenziale, con il nucleo che ruota molto più velocemente della superficie, può sostenere una massa molto maggiore rispetto a una stella che ruota a una velocità uniforme. I ricercatori hanno scoperto che, man mano che la stella rallenta e si assesta in una rotazione uniforme, perde questo supporto extra. Se la stella è troppo pesante, questa perdita di supporto innesca un collasso. Il team ha notato che la transizione da una rotazione veloce e caotica a una lenta e costante richiede che la stella si sbarazzi di una quantità significativa di momento angolare, spesso espellendo parte della sua massa. Se la stella non può sbarazzarsi di abbastanza momento, non può stabilizzarsi e collassa.

In definitiva, questo lavoro fornisce un nuovo strumento agli astronomi per interpretare i segnali che ricevono dall'universo. Confrontando le proprietà osservate delle fusioni di stelle di neutroni con queste simulazioni dettagliate, gli scienziati possono iniziare a inferire che tipo di materia esiste al cuore di queste stelle. La ricerca suggerisce che, se gli iperoni sono presenti, essi causerebbero il collasso dei resti delle collisioni di stelle di neutroni in buchi neri molto più velocemente di quanto precedentemente ipotizzato. Questa intuizione aiuta a restringere la natura possibile della materia più densa dell'universo, avvicinandoci alla comprensione delle leggi fondamentali che governano gli ambienti più estremi esistenti. Le scoperte non risolvono completamente il mistero degli interni delle stelle di neutroni, ma offrono un quadro più chiaro di come calore, rotazione e composizione delle particelle interagiscano per determinare se una stella appena nata viva o muoia.