I ricercatori hanno trovato un nuovo modo per rilevare alcuni degli eventi di fusione più catastrofici nell'universo prima che accadano.
Le stelle di neutroni, i nuclei estremamente densi di massicce stelle morte che si muovono a spirale l'una verso l'altra o in un buco nero, possono sollevare onde di marea negli oceani di particelle cariche pesanti che circondano le stelle di neutroni. I ricercatori hanno scoperto che queste onde di marea si manifestano con esplosioni regolari di radiazioni elettromagnetiche che possono fungere da sistema di allerta precoce per fusioni imminenti.
Le stelle di neutroni sono probabilmente gli oggetti più estremi dell'universo. Sì, i buchi neri possono essere più esotici, ma sono relativamente semplici: hanno solo molta gravità. Al contrario, le stelle di neutroni sono essenzialmente nuclei atomici giganti, e questo implica una fisica interessante e complessa che i buchi neri non hanno.
Una tipica stella di neutroni ha un diametro di pochi chilometri, ma può pesare diverse volte la massa del Sole. Sono costituiti quasi interamente da neutroni (da cui il nome), ma contengono popolazioni di elettroni liberi, protoni e ioni di nuclei pesanti. Nascono da supernove - le esplosioni di stelle massicce morenti - e alcune di esse possono contenere i campi magnetici più forti dell'intero universo.
L'interno delle stelle di neutroni è il più misterioso perché la pressione e la densità sono così grandi che vanno oltre le nostre attuali conoscenze di fisica. Alcuni modelli suggeriscono che i nuclei siano semplicemente un flusso uniforme di neutroni, mentre altri suggeriscono che i neutroni stessi decadano nei loro quark. Dietro il nucleo interno c'è una massa dura e liscia di neutroni che si trasforma lentamente in modelli più complessi, come blocchi e fili, noti collettivamente come pasta nucleare.
Si ritiene che la crosta esterna di una stella di neutroni sia costituita da elettroni e neutroni superfluidi che lasciano il posto a un reticolo cristallino quando si avvicina alla superficie. Infine, c'è l'oceano, uno strato di elettroni, neutroni e ioni liquidi a una profondità compresa tra 10 e 100 m.
La natura estremamente esotica della materia in queste condizioni - i neutroni superfluidi di solito non si verificano per caso - rende le stelle di neutroni le prime candidate per lo studio della fisica estrema. Questa idea è stata perfezionata dopo la scoperta di GW 170817, un segnale di onda gravitazionale rilevato insieme all'emissione elettromagnetica di due stelle di neutroni che si fondono. La co-rilevazione, soprannominata astronomia multi-messaggero, consente ai fisici di sondare i nuclei delle stelle di neutroni come mai prima d'ora.
Ma da quando le onde gravitazionali sono state rilevate per la prima volta nel 2017, non abbiamo visto nessun altro evento di fusione di stelle di neutroni, il che è deludente perché le stelle di neutroni sono uno dei migliori laboratori della natura per testare la fisica delle alte energie.
Ma ora un nuovo metodo per osservare il comportamento esotico delle stelle di neutroni potrebbe significare che non dovremo aspettare ancora a lungo. Il nuovo articolo, pubblicato a maggio nel database preprints arXiv, si concentra sugli oceani delle stelle di neutroni che, oltre a elettroni e neutroni liberi, possono contenere anche carbonio, ossigeno e ferro. Sebbene gli oceani siano relativamente poco profondi rispetto all'intera profondità della stella di neutroni, sono lo strato esterno (senza contare l'"atmosfera" incredibilmente sottile e la parte della stella di neutroni che risponde più prontamente all'universo esterno.
In particolare, i ricercatori hanno scoperto che questi oceani poco profondi possono sostenere le maree come gli oceani sulla Terra. Ma per aumentare la marea su una stella di neutroni è necessaria molta più attrazione gravitazionale per superare tutta quella gravità estrema. Le maree nelle stelle di neutroni compaiono solo quando la stella di neutroni è abbastanza vicina a un oggetto massiccio e denso, come un'altra stella di neutroni o un buco nero.
Fortunatamente, tali binari sono relativamente comuni, poiché le stelle si formano tipicamente in più sistemi e poi attraversano i loro cicli di vita, lasciando infine dietro di sé combinazioni di buchi neri e stelle di neutroni.
Quando una stella di neutroni inizia a fondersi con un'altra stella di neutroni o buco nero, gli oggetti si avvolgono lentamente a spirale per diversi anni. Mentre ruotano, le onde gravitazionali assorbono energia dal sistema, avvicinando la coppia. Dopotutto, nei momenti finali, la fusione viene completata in pochi secondi.
Ma prima che ciò accada, il satellite in orbita può innescare una serie di maree risonanti sulla stella di neutroni. Queste maree possono mantenere una frequenza fino a 100 megahertz e trasportare fino a un enorme 10^29 joule di energia. Per darti un'idea di quanto sia grande quel numero, l'intera razza umana usa solo 10^20 joule ogni anno. L'onda di risonanza di una singola stella di neutroni ha più energia di tutta la radiazione del Sole per 10mila anni.
A differenza delle onde oceaniche, queste maree consistono in un oceano di plasma. Le cariche elettriche estreme fanno sì che le maree possano emettere intense esplosioni di radiazioni elettromagnetiche che ci possono apparire come esplosioni di raggi X e raggi gamma.
Sulla base dei loro calcoli, i ricercatori hanno stimato che gli osservatori spaziali come il Fermi Space Gamma-ray Telescope e il Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) potrebbero rilevare diverse stelle di neutroni ogni anno e che questi segnali apparirebbero fino a diversi anni prima dell'ultima fusione.
Con questo avvertimento, gli astronomi possono preparare i loro telescopi e osservatori per essere pronti a cogliere il momento della fusione stessa e approfondire dati ancora più preziosi sulle onde elettromagnetiche e gravitazionali.
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