Le stelle di neutroni sono oggetti celesti affascinanti e misteriosi, che nascondono al loro interno segreti ancora da svelare. Si tratta di corpi celesti di dimensioni ridotte, con un diametro di circa 25 km, ma con una massa che può raggiungere fino a due volte quella del Sole. Queste stelle sono così dense che la loro materia è compressa a livelli mai raggiunti nell’Universo attuale, superando di gran lunga la densità di protoni e neutroni singoli.
La materia al centro delle stelle di neutroni
Il nucleo di una stella di neutroni contiene materia ad altissime densità, tanto che questi oggetti possono essere considerati come nuclei atomici giganti. La forza di gravità comprime il nucleo a densità che superano di molto quelle dei protoni e neutroni individuali. Questa caratteristica rende le stelle di neutroni oggetti di grande interesse dal punto di vista della fisica delle particelle e della fisica nucleare.
La possibile esistenza di materia di quark freddi
Una questione aperta da tempo riguarda la possibilità che la pressione centrale immensa delle stelle di neutroni possa comprimere protoni e neutroni in una nuova fase della materia, nota come materia di quark freddi. In questo stato esotico della materia, i protoni e i neutroni individuali cessano di esistere. ”I loro quark costituenti e i gluoni sono invece liberati dal loro tipico confinamento di colore e possono muoversi quasi liberamente”, spiega Aleksi Vuorinen, professore di fisica teorica delle particelle all’Università di Helsinki.
L’analisi teorica e le simulazioni al supercomputer
Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Nature Communications da un team dell’Università di Helsinki ha fornito per la prima volta una stima quantitativa della probabilità che le stelle di neutroni massicce nascondano nuclei di materia di quark deconfinata. I risultati, ottenuti attraverso simulazioni al supercomputer e l’inferenza statistica bayesiana, indicano che la probabilità che le stelle di neutroni più massicce contengano materia di quark è tra l’80 e il 90 percento.
La transizione di fase e la stabilità delle stelle
La piccola probabilità restante che tutte le stelle di neutroni siano composte solo da materia nucleare richiede che il passaggio dalla materia nucleare a quella di quark sia una transizione di fase del primo ordine, simile al passaggio dell’acqua liquida a ghiaccio. Questo rapido cambiamento nelle proprietà della materia stellare potrebbe destabilizzare la stella in modo tale che la formazione di un nucleo di materia di quark, anche minimo, potrebbe portare al collasso della stella in un buco nero.
La conferma o la smentita delle teorie
La collaborazione internazionale tra scienziati di Finlandia, Norvegia, Germania e Stati Uniti ha mostrato come l’esistenza di nuclei di materia di quark possa un giorno essere confermata o smentita. La chiave sta nel riuscire a limitare la forza della transizione di fase tra materia nucleare e materia di quark, ciò che si prevede sarà possibile una volta registrato un segnale di onde gravitazionali dall’ultima parte della fusione di una coppia di stelle di neutroni.
Il ruolo dei supercomputer e l’importanza dell’osservazione
Un elemento fondamentale per ottenere i nuovi risultati è stato l’utilizzo di calcoli massivi al supercomputer che sfruttano l’inferenza bayesiana, un ramo della deduzione statistica in cui si inferiscono le probabilità di diversi parametri del modello tramite il confronto diretto con i dati osservativi. La componente bayesiana dello studio ha permesso ai ricercatori di derivare nuovi limiti per le proprietà della materia delle stelle di neutroni, dimostrando che si avvicinano al comportamento cosiddetto conforme vicino ai nuclei delle stelle di neutroni stabili più massicce.
Il dottor Joonas Nättilä, uno degli autori principali dell’articolo, descrive il lavoro come uno sforzo interdisciplinare che ha richiesto competenze in astrofisica, fisica delle particelle e nucleare, nonché informatica. Nättilä inizierà come professore associato all’Università di Helsinki nel maggio 2024. “È affascinante vedere concretamente come ogni nuova osservazione di stelle di neutroni ci permetta di dedurre le proprietà della materia stellare con precisione sempre maggiore”, afferma.
Joonas Hirvonen, uno studente di dottorato che lavora sotto la guida di Nättilä e Vuorinen, sottolinea invece l’importanza del calcolo ad alte prestazioni: “Abbiamo dovuto utilizzare milioni di ore CPU di tempo al supercomputer per poter confrontare le nostre previsioni teoriche con le osservazioni e per limitare la probabilità di nuclei di materia di quark. Siamo estremamente grati al centro supercomputer finlandese CSC per averci fornito tutte le risorse di cui avevamo bisogno!”
