Gli scienziati potrebbero essere più vicini che mai a risolvere il mistero di ciò che si trova in profondità sotto la superficie di stelle morte ultra-dense chiamate stelle di neutroni.
Una nuova analisi effettuata da un supercomputer sulle stelle di neutroni ha rivelato che esiste una probabilità compresa tra l’80% e il 90% che questi oggetti contengano nuclei pieni di quark liberi, particelle subatomiche fondamentali che di solito si trovano solo legate insieme in altre particelle come protoni e neutroni.
Protoni e neutroni si combinano per formare il nucleo di un atomo, attorno al quale si trovano gli elettroni. Ma secondo il team, se i nuclei delle stelle di neutroni fossero davvero pieni di quark liberi, sarebbero composti da una forma esotica di materia nota come “materia di quark freddi”. Nella materia dei quark freddi non possono esistere singoli protoni e neutroni. Quindi gli atomi non possono esistere. Solo quark.
Se fosse vero, avvicinerebbe le stelle di neutroni a nuclei atomici incredibilmente massicci.
“È affascinante vedere concretamente come ogni nuova osservazione di una stella di neutroni ci permetta di dedurre le proprietà della materia delle stelle di neutroni con sempre maggiore precisione”, ha affermato l'autore principale Jonas Nattila, che sta per assumere la guida del gruppo di ricerca. Professore associato presso l'Università di Helsinki, Lo ha detto in un comunicato.
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Le stelle di neutroni nascono quando si esaurisce la fusione nucleare interna che avviene nei nuclei delle stelle con una massa compresa tra 10 e 20 volte la massa del Sole. Ciò si traduce nella cessazione dell'energia esterna che ha mantenuto stabile la stella per milioni o addirittura miliardi di anni contro la pressione interna della sua gravità.
Con la gravità vittoriosa in questo tiro alla fune cosmico, il nucleo della stella inizia a collassare. Quando ciò accade, la materia esterna della stella, dove è ancora in corso la fusione nucleare, esplode in una massiccia esplosione di supernova.
Ciò lascia il nucleo stellare con una massa pari a una o due volte la massa del Sole, condensata in soli 20 chilometri circa di diametro.
Questa massiccia riduzione delle dimensioni di quella che oggi è conosciuta come una stella di neutroni crea una materia così densa che una massa delle dimensioni di una zolletta di zucchero potrebbe pesare circa un miliardo di tonnellate se portata sulla Terra. Questa è una zolletta di zucchero che pesa l'equivalente di 3.000 Empire State Building.
Quindi la domanda ora è: di cosa è fatta questa materia incredibilmente strana, che probabilmente non esiste in nessun'altra parte dell'universo? Più in generale, le condizioni nelle regioni più dense di queste stelle morte potrebbero creare una fase completamente nuova della materia chiamata materia di quark freddi, priva di protoni e neutroni?
Gli scienziati non possono visitare le stelle di neutroni per ottenere un campione di questo materiale; Anche le stelle di neutroni più vicine si trovano a circa 400 anni luce di distanza, quindi la cosa migliore da fare è simulare le condizioni sotto la superficie delle stelle utilizzando una potente combinazione di dati astronomici reali e supercomputer.
Questa nuova ricerca ha utilizzato un tipo di inferenza statistica chiamata inferenza bayesiana che calcola la probabilità di diversi parametri del modello effettuando confronti diretti con i dati osservativi.
Ciò ha permesso al team di determinare i limiti della materia delle stelle di neutroni, portando l’equipaggio a concludere che la materia di quark freddi esiste con un alto grado di probabilità. Il meccanismo suggerisce anche che esista uno stato “non nucleare” della materia nelle stelle di neutroni, in cui i quark possono esistere “non confinati” nei protoni, neutroni e altre particelle.
“Invece, i quark e i loro gluoni costituenti vengono rilasciati dal loro tipico confinamento di colore e possono muoversi quasi liberamente”, ha detto nella dichiarazione Alexei Vorinen, professore di fisica teorica all'Università di Helsinki.
Le simulazioni del supercomputer del team indicano anche una probabilità inferiore al 20% che la materia all'interno delle stelle di neutroni subisca un rapido cambiamento di stato da materia nucleare a “materia di quark”, più o meno come l'acqua che si trasforma in ghiaccio. Un cambiamento così rapido nella materia potrebbe destabilizzare le stelle di neutroni in un modo che potrebbe far collassare anche una piccola quantità di materia quark per creare un buco nero.
La ricerca ha anche suggerito che l’esistenza dei nuclei di quark potrebbe essere pienamente confermata in futuro con alcune analisi aggiuntive.
La chiave è determinare la forza della transizione di fase dalla materia nucleare alla materia dei quark, qualcosa che potrebbe essere possibile quando i rilevatori di onde gravitazionali diventeranno abbastanza sensibili da “sentire” minuscole increspature nello spaziotempo emanate dall’ultimo momento prima di due stelle di neutroni. Girano su se stessi e si scontrano tra loro.
Tuttavia, anche con dati osservativi migliorati, modelli migliori dei nuclei delle stelle di neutroni richiederanno comunque enormi quantità di tempo e potenza di calcolo.
“Abbiamo dovuto utilizzare milioni di ore di CPU del tempo del supercomputer per poter confrontare le nostre previsioni teoriche con le osservazioni e limitare la possibilità dell'esistenza di nuclei di quark”, ha affermato Jonas Hirvonen, membro del team e studente laureato dell'Università. di Helsinki. Dichiarazione.
La ricerca del team è stata pubblicata a dicembre sulla rivista Nature Communications.
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