Nonradial oscillation modes of axion condensed neutron stars in the Cowling approximation
Questo articolo investiga lo spettro delle oscillazioni non radiali delle stelle di neutroni con condensato di assioni nell'approssimazione di Cowling, rivelando che i condensati di assioni alterano significativamente le frequenze dei modi fluidi, introducono uno smorzamento rapido per emissione di assioni per i modi p e generano una distinta famiglia di modi quasi-normali dominati dagli assioni fortemente smorzati e stati gravitazionalmente legati che interagiscono con i modi fluidi tramite incroci evitati.
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Nel profondo degli oggetti più estremi dell'universo, le stelle di neutroni, la materia è schiacciata a densità che sfidano l'esperienza quotidiana. Questi resti stellari sono così densi che un singolo cucchiio del loro materiale peserebbe miliardi di tonnellate sulla Terra. Per decenni, i fisici si sono chiesti se questi ambienti estremi potessero ospitare particelle che altrimenti ci sono invisibili. Un tale candidato è l'assione, una particella ipotetica proposta originariamente per risolvere un enigma fondamentale su come si comporti la forza nucleare forte. Sebbene gli assioni siano anche un principale candidato per la materia oscura, la sostanza invisibile che tiene insieme le galassie, essi sono solitamente considerati particelle fantasmatiche che attraversano lo spazio senza interagire molto. Tuttavia, teorie recenti suggeriscono che all'interno di una stella di neutroni, l'estrema densità della materia potrebbe costringere questi assioni a comportarsi diversamente, aggregandosi per formare una nuvola macroscopica, o condensato, che permea il nucleo della stella.
Questo nuovo comportamento non rimarrebbe semplicemente inerte all'interno della stella; esso cambierebbe il modo in cui la stella vibra. Le stelle di neutroni non sono sfere statiche; risuonano come campane dopo essere state disturbate, producendo oscillazioni che si propagano attraverso il loro interno. Queste vibrazioni sono uno strumento chiave per gli astronomi, che sperano di ascoltare questi suoni utilizzando i rilevatori di onde gravitazionali per apprendere informazioni sulla struttura interna della stella. Un team di ricercatori ha ora esaminato più da vicino come una nuvola di assioni altererebbe queste vibrazioni. Creando modelli computerizzati dettagliati di una stella di neutroni riempita di questo condensato di assioni, hanno mappato come le frequenze naturali della stella cambino e come l'energia delle sue vibrazioni possa disperdersi in un nuovo modo.
I ricercatori si sono concentrati sul tipo specifico di vibrazione noto come oscillazioni non radiali, in cui la stella oscilla in un modello complesso e irregolare piuttosto che limitarsi ad espandersi e contrarsi. Hanno costruito un modello di una stella di neutroni utilizzando una descrizione standard della materia nucleare e hanno aggiunto gli effetti del campo di assioni, che cambia la massa effettiva delle particelle all'interno della stella. Nelle loro simulazioni, hanno osservato come la vibrazione fondamentale della stella, nota come modo f, e le sue onde di pressione a frequenza più elevata, chiamate modi p, rispondessero alla presenza della nuvola di assioni. Hanno scoperto che la mera esistenza del condensato modifica la struttura interna della stella, il che a sua volta spinge le frequenze di queste vibrazioni verso l'alto. Per il modo fondamentale, questo spostamento può essere fino al venti per cento, un cambiamento significativo che sarebbe facilmente rilevabile se potessimo sentire la stella.
Tuttiave, la storia non finisce con un semplice cambio di tono. Il campo di assioni non è uno sfondo statico; è un partner dinamico che interagisce con il fluido della stella. Mentre la stella oscilla, essa scuote il campo di assioni, e questo accoppiamento annulla parzialmente lo spostamento di frequenza causato dai cambiamenti strutturali. Per il modo fondamentale, questo annullamento è così forte che la frequenza finale finisce per essere molto più vicina a quella che sarebbe senza gli assioni rispetto a quanto suggerirebbe il solo cambiamento strutturale. Per i modi di pressione a frequenza più elevata, l'annullamento è meno completo, lasciando uno spostamento evidente. Questo intreccio tra la forma della stella e il campo di assioni crea una firma complessa che distingue una stella riempita di assioni da una normale.
Forse la scoperta più drammatica riguarda il modo in cui queste stelle perdono energia. In una normale stella di neutroni, le vibrazioni alla fine si esauriscono perché irradiano onde gravitazionali, increspature nello spaziotempo che trasportano energia via. In questo nuovo modello, il campo di assioni apre un secondo canale, più veloce, per la perdita di energia. Se una vibrazione è abbastanza veloce — specificamente, se la sua frequenza è superiore a una soglia stabilita dalla massa dell'assione — essa può convertire la sua energia in onde di assioni propaganti che volano fuori dalla stella. I ricercatori hanno scoperto che, mentre il modo fondamentale è solitamente troppo lento per innescare questo effetto, i modi di pressione a frequenza più elevata spesso superano questa soglia. Quando lo fanno, possono perdere energia incredibilmente velocemente, con tempi di smorzamento di soli dieci millisecondi. Questo è più veloce del tempo necessario alle onde gravitazionali per drenare l'energia, il che significa che, per certe masse di assioni, il suono della stella verrebbe silenziato quasi istantaneamente dall'emissione di assioni.
Lo studio ha anche rivelato una famiglia completamente nuova di vibrazioni che appartengono più al campo di assioni che alla stella stessa. Questi sono modi distinti e fortemente smorzati che esistono a causa delle proprietà stesse dell'assione, comportandosi in modo simile al modo in cui una campana potrebbe suonare se fosse fatta di un materiale completamente diverso. Inoltre, il team ha scoperto che il campo di assioni può intrappolare certe vibrazioni in uno stato simile a quello in cui un elettrone è intrappolato in un atomo, creando quelli che chiamano livelli di atomo gravitazionale. Questi stati intrappolati si trovano appena sotto la soglia energetica necessaria per sfuggire. Al variare delle proprietà dell'assione, questi stati intrappolati interagiscono con le onde di pressione della stella, causando uno scambio di identità in un processo noto come incrocio evitato. La vibrazione del fluido della stella può improvvisamente diventare una vibrazione dell'assione, e viceversa, senza mai arrivare ad urtarsi realmente.
Queste scoperte suggeriscono che, se gli assioni esistono e possono condensarsi all'interno delle stelle di neutroni, essi lascerebbero un'impronta distinta sulle oscillazioni della stella. La combinazione di frequenze spostate, rapida perdita di energia attraverso l'emissione di assioni e l'apparizione di nuovi modi di vibrazione dominati dagli assioni offre un insieme chiaro di segnali che i futuri osservatori di onde gravitazionali potranno cercare. Ascoltando attentamente il rintocco delle stelle di neutroni, gli astronomi potrebbero presto essere in grado di determinare non solo quanto sia densa la stella, ma anche se stia nascondendo una nuvola di particelle invisibili che potrebbero risolvere alcuni dei più grandi misteri della fisica.
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