Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

Nel profondo del cosmo, ben oltre la portata di qualsiasi telescopio o sonda spaziale, si trovano i laboratori più estremi dell'universo: le stelle di neutroni. Queste sono i nuclei collassati di stelle massicce che sono morte, schiacciate fino a quando un singolo cucchiaino del loro materiale peserebbe quanto una montagna. All'interno di questi resti stellari, la materia è compressa così strettamente da sfidare le regole che osserviamo nella vita quotidiana. Al centro stesso, dove la pressione è inimmaginabile, gli atomi stessi potrebbero disgregarsi. I protoni e i neutroni che di solito tengono insieme la materia potrebbero dissolversi in una zuppa dei loro componenti più piccoli, noti come quark. Questo stato ipotetico della materia, in cui i quark vagano liberamente invece di essere bloccati all'interno delle particelle, è chiamato materia di quark. Se esiste, essa formerebbe una stella ibrida — un oggetto cosmico con un nucleo di esotica materia di quark circondato da un guscio di normale materia nucleare. Comprendere se queste stelle esistano, e che aspetto abbiano, è una delle grandi sfide dell'astrofisica moderna, poiché rivelerebbe come la natura si comporta nelle condizioni più intense possibili.

Per anni, gli scienziati hanno cercato di ricostruire la struttura interna di queste stelle combinando modelli teorici con osservazioni del mondo reale. Dispongono di dati provenienti da telescopi che osservano i raggi X rimbalzare sulle superfici delle stelle di neutroni, e dispongono di dati da rilevatori di onde gravitazionali che ascoltano le increspature nello spazio-tempo causate dalla collisione di due stelle di neutroni. In uno studio recente, un team di ricercatori dell'Università di Coimbra, in Portogallo, ha rivisitato questo enigma. Avevano precedentemente creato un insieme di modelli che suggerivano che le stelle di neutroni più pesanti dovessero contenere grandi nuclei di questa esotica materia di quark. Tuttavia, il loro nuovo lavoro poneva una domanda diversa: cosa succederebbe se i nuclei di quark fossero molto più piccoli, o anche appena presenti? Rilassando il requisito rigido che i nuclei debbano essere enormi, hanno generato un nuovo insieme di possibilità che si allinea molto meglio con le ultime misurazioni astronomiche.

I ricercatori hanno utilizzato un potente metodo statistico per setacciare migliaia di possibili scenari. Sono partiti con due ingredienti principali per i loro modelli: una descrizione della materia normale presente negli strati esterni della stella e una descrizione della potenziale materia di quark al centro. Hanno poi testato questi modelli contro una rigorosa lista di controllo di dati del mondo reale. Questa lista includeva le proprietà note della materia nucleare, le masse e le dimensioni precise di diverse stelle di neutroni specifiche osservate dal telescopio a raggi X NICER, e i dettagli della collisione tra due stelle di neutroni rilevata dagli osservatori LIGO e Virgo. Nel loro lavoro precedente, avevano costretto i modelli a produrre stelle con massicci nuclei di quark, il che spingeva la transizione dalla materia normale alla materia di quark a densità relativamente basse. In questo nuovo studio, hanno rimosso quella specifica restrizione. Richiedevano ancora che le stelle più pesanti avessero della materia di quark all'interno, ma hanno permesso che la dimensione di quel nucleo fosse qualsiasi cosa, da minuscola a grande, lasciando che i dati decidessero cosa fosse più probabile.

I risultati di questo nuovo approccio sono stati sorprendenti. I modelli che permettevano nuclei di quark più piccoli, che il team ha denominato set "SmallQ", producevano stelle di neutroni leggermente più piccole in raggio e meno deformabili rispetto a quelle dei loro modelli precedenti. Ciò rendeva i nuovi modelli una corrispondenza molto migliore con le effettive osservazioni del telescopio NICER e con i dati delle onde gravitazionali. Nei modelli precedenti con grandi nuclei, la transizione alla materia di quark avveniva a una densità circa due o due volte e mezzo la densità dei normali nuclei atomici. Nei nuovi modelli, più riusciti, questa transizione è stata spinta molto più in profondità nella stella, avvenendo a densità comprese tra tre e quattro volte e mezza la densità nucleare normale. Questo ritardo nella transizione significa che il guscio di materia normale della stella è più spesso, e il nucleo esotico è più piccolo o, in alcuni casi, quasi inesistente anche nelle stelle più pesanti.

Questo spostamento nel tempismo della transizione di fase ha cambiato anche la composizione interna delle stelle. Nei modelli con grandi nuclei, la materia di quark era dominata da quark up e down. Nei nuovi modelli con nuclei più piccoli, i quark strange — un tipo di quark più pesante — sono diventati molto più abbondanti, costituendo una frazione maggiore della composizione del nucleo. Interessantemente, i nuovi modelli suggeriscono che alcune delle stelle di neutroni più pesanti, quelle che pesano il doppio del nostro Sole, potrebbero contenere pochissima o nessuna materia di quark. Ciò sfida l'idea che le stelle più pesanti debbano necessariamente essere dominate da materia esotica. Invece, suggerisce che la transizione alla materia di quark sia un evento raro che accade solo sotto la pressione più estrema, o forse non accade affatto in alcune delle stelle più pesanti che abbiamo osservato.

Lo studio ha anche esaminato come la dimensione di una stella di neutroni cambi all'aumentare della sua massa. Per le stelle composte solo da materia normale, il raggio tende a rimpicciolirsi man mano che la stella diventa più pesante. Per le stelle con materia esotica, la relazione può essere più complessa. I ricercatori hanno scoperto che, nel loro nuovo set di modelli, un numero significativo di stelle mostrava ancora una pendenza positiva nella relazione massa-raggio a masse inferiori, il che significa che diventavano leggermente più grandi man mano che guadagnavano peso. Tuttavia, a una massa di 1,8 volte quella del Sole, la stragrande maggioranza di questi modelli tornava al comportamento previsto di rimpicciolimento. Questa è una distinzione cruciale perché, nei loro modelli precedenti con grandi nuclei, una pendenza positiva era comune anche a queste masse elevate. Il fatto che i nuovi modelli mostrino per lo più il comportamento standard di rimpicciolimento ad alte masse, pur rispettando i dati osservativi, suggerisce che la presenza di un grande nucleo di quark non è necessaria per spiegare le stelle che vediamo.

In definitiva, questo lavoro perfeziona la nostra comprensione della materia più densa dell'universo. Permettendo alla dimensione del nucleo di quark di variare liberamente invece di forzarla a essere grande, i ricercatori hanno trovato un insieme di modelli che sono più coerenti con l'universo come lo osserviamo. Questi modelli suggeriscono che, se la materia di quark esiste nei cuori delle stelle di neutroni, è probabile che sia confinata in una piccola regione proprio al centro, apparendo solo quando la densità raggiunge livelli estremi. Le scoperte non escludono l'esistenza della materia di quark, ma suggeriscono che la transizione a questo stato esotico sia più difficile da raggiungere rispetto a quanto precedentemente pensato. Man mano che gli astronomi continueranno a raccogliere dati più precisi sulle dimensioni e le masse delle stelle di neutroni, questi modelli raffinati serviranno come guida critica, aiutando a determinare se i nuclei di questi giganti cosmici siano fatti della strana materia a quark liberi che è stata a lungo teorizzata, o se rimangano composti interamente dalla materia familiare che costituisce il nostro mondo.