Absorption of bound supernova axion-like particles by the neutron star weakens the heating limits on their photon coupling

Nel cuore violento di una stella che collassa, un'esplosione di supernova crea condizioni così estreme da dare origine a particelle che non abbiamo mai visto sulla Terra. Tra queste particelle ipotetiche ci sono le particelle simili agli assioni, entità minuscole e spettrali che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria. Se queste particelle esistono, vengono prodotte in numeri enormi all'interno della stella di neutroni appena nata, il remodo incredibilmente denso lasciato dopo l'esplosione. Alcune di queste particelle sono abbastanza veloci da sfuggire alla stella e volare nello universo, ma altre sono più lente. Queste particelle più lente non possono sfuggire all'intensa attrazione gravitazionale della stella di neutroni; invece, rimangono intrappolate, orbitando attorno alla stella in una vasta nuvola invisibile. Per decenni, i fisici si sono chiesti se questa nuvola intrappolata potesse essere rilevata. L'idea era che, man mano che queste particelle decadono, esse si trasformerebbero in luce, riscaldando la superficie della vecchia stella di neutroni in fase di raffreddamento. Se fossimo in grado di misurare questo calore extra, potremmo finalmente dimostrare che queste particelle esistono.

Tuttavia, un nuovo studio condotto da ricercatori del National Institute of Technology di Rourkela, in India, ha cambiato radicalmente questo scenario, dimostrando che la stella stessa agisce come un aspirapolvere cosmico. I ricercatori hanno capito che i calcoli precedenti avevano trascurato un dettaglio critico: mentre le particelle intrappolate orbitano attorno alla stella, i loro percorsi non sono perfettamente circolari. Molte di queste orbite si immergono profondamente nell'interno della stella. Poiché la stella è composta da materia incredibilmente densa, qualsiasi particella che si tuffa all'interno viene quasi istantaneamente assorbita e distrutta dalla densa materia nucleare. I ricercatori hanno calcolato che, affinché una particella sopravviva per centinaia di milioni di anni, deve mantenere un'orbita molto specifica e ampia che non tocchi mai la superficie della stella. Questa scoperta significa che la stragrande maggioranza delle particelle intrappolate viene eliminata molto prima di poter decadere e riscaldare la stella.

Per raggiungere questa conclusione, il team ha costruito una simulazione dettagliata al computer di come una stella di neutroni neonata evolva durante i suoi primi dieci secondi di vita. Hanno tracciato i percorsi di milioni di queste particelle ipotetiche mentre la stella si contraeva e si raffreddava. Hanno scoperto che la gravità della stella tira le orbite delle particelle verso l'interno, causando la collisione di molte di esse con la stella. Una volta all'interno, le particelle vengono assorbite dalla densa materia nucleare in pochi minuti o addirittura secondi, un processo molto più veloce del tempo necessario per il loro decadimento. Le uniche particelle che sopravvivono sono quelle nate negli strati esterni della stella con la velocità e la direzione giuste per rimanere in un'orbita circolare sicura, lontana dalla superficie. Questi sopravvissuti sono rari e trasportano solo una frazione minima del calore che le teorie precedenti avevano previsto.

Questa scoperta impone una revisione importante dei limiti su come queste particelle interagiscono con la luce. Gli studi precedenti suggerivano che, se queste particelle esistessero, riscalderebbero le vecchie stelle di neutroni a temperature che dovremmo facilmente rilevare. Poiché il nuovo studio mostra che la maggior parte delle particelle viene assorbita, l'effetto di riscaldamento è molto più debole di quanto precedentemente ipotizzato. Di conseguenza, le regole di ciò che è possibile sono cambiate. I ricercatori hanno scoperto che esiste ancora una piccola finestra di possibilità in cui queste particelle potrebbero sopravvivere e riscaldare una stella, ma le condizioni sono molto più rigide. Le particelle devono essere più pesanti e interagire con la luce in un modo molto specifico che annulli altri effetti naturali. Anche con queste condizioni rigorose, lo studio mostra che la più vecchia e fredda stella di neutroni nota, PSR J2144−3933, esclude comunque un intervallo specifico di masse delle particelle.

I ricercatori hanno anche esplorato come la dimensione della stella di neutroni finale influenzi il risultato. Hanno scoperto che il raggio della stella è un fattore cruciale; una stella leggermente più grande permette a più particelle di sopravvivere perché le loro orbite possono rimanere più lontane dalla superficie. Le loro simulazioni hanno mostrato che cambiare il raggio della stella di pochi chilometri può alterare il numero di particelle sopravvissute di un fattore di quasi quattro. Inoltre, hanno considerato altri modi in cui queste particelle potrebbero essere create, come attraverso le interazioni con i pioni, un tipo di particella che esiste all'interno della stella. Questi processi aggiuntivi aiutano effettivamente più particelle a sopravvivere, ampliando l'intervallo di masse in cui potrebbero esistere, ma il riscaldamento complessivo rimane debole.

In definitiva, questo lavoro non dimostra che queste particelle non esistano, ma dimostra che sono molto più difficili da trovare di quanto sperassimo. Il segnale di "riscaldamento" che gli astronomi stavano cercando è probabilmente troppo debole per essere visto con gli attuali telescopi perché la stella assorbe le particelle prima che possano compiere il loro lavoro. Lo studio suggerisce che, se queste particelle esistono, si nascondono in un intervallo molto ristretto di proprietà, e trovarle richiederà o telescopi molto più sensibili o un metodo di rilevamento diverso. I ricercatori sottolineano che i loro risultati dipendono dai modelli specifici di come si comportano le stelle di neutroni e che le osservazioni future di queste stelle potrebbero affinare ulteriormente il quadro. Per ora, la nuvola spettrale di particelle attorno a una stella di neutroni non è un faro caldo e luminoso, ma una collezione sparsa di sopravvissuti che sono riusciti a schivare la morsa affamata della stella.