Nell'universo potrebbero esistere ipotetici oggetti cosmici estremamente densi ed esotici noti come "strane stelle di quark". Mentre gli astrofisici continuano a dibattere sull'esistenza delle stelle di quark, un team di fisici ha scoperto che il residuo di una fusione di stelle di neutroni osservata nel 2019 ha esattamente la massa necessaria per essere una.
Quando le stelle muoiono, i loro nuclei si contraggono così tanto da trasformarsi in nuovi tipi di oggetti. Ad esempio, quando il Sole alla fine si estingue, lascerà una nana bianca, una palla delle dimensioni di un pianeta di atomi di carbonio e ossigeno altamente compressi. Quando stelle ancora più grandi esplodono in esplosioni catastrofiche chiamate supernove, si lasciano dietro stelle di neutroni. Questi oggetti incredibilmente densi sono larghi solo pochi chilometri, ma la loro massa può essere diverse volte quella del Sole. Come suggerisce il nome, sono composti quasi interamente da neutroni puri, il che li rende in realtà nuclei atomici lunghi un chilometro.
Le stelle di neutroni sono così esotiche che i fisici non le hanno ancora completamente comprese. Sebbene possiamo osservare come le stelle di neutroni interagiscono con il loro ambiente e fare delle buone ipotesi su cosa succede a questa materia di neutroni vicino alla superficie, la composizione dei loro nuclei rimane sfuggente.
Il problema è che i neutroni non sono particelle completamente fondamentali. Sebbene si combinino con i protoni per formare nuclei atomici, i neutroni stessi sono costituiti da particelle ancora più piccole chiamate quark.
Ci sono sei tipi, o aromi, quark: up, down, top, bottom, strano e charm. Un neutrone è costituito da due quark down e un quark up. Se appiattisci troppi atomi insieme, si trasformeranno in una gigantesca palla di neutroni. Quindi, se schiacciate troppi neutroni insieme, si trasformeranno in una gigantesca palla di quark?
Le risposte vanno da "forse" a "è difficile". Il problema è che ai quark non piace stare da soli. La forza nucleare forte, che lega i quark nel nucleo, aumenta effettivamente con la distanza. Se provi a unire due quark, la forza che li tira indietro aumenta. Alla fine, l'energia gravitazionale tra di loro diventa così grande che nuove particelle appaiono nel vuoto, inclusi nuovi quark, che si legano felicemente con quelli separati.
Se volessi creare un oggetto macroscopico dai quark up o down che compongono un neutrone, quell'oggetto esploderebbe molto rapidamente e molto violentemente.
Ma forse c'è un modo che usa strani quark. Di per sé, i quark strani sono piuttosto pesanti e, quando vengono lasciati riposare, decadono rapidamente in quark su e giù più leggeri. Tuttavia, quando un gran numero di quark viene combinato insieme, la fisica può cambiare. I fisici hanno scoperto che strani quark possono legarsi con quark up e down per formare triplette conosciute come stelline, che può essere stabile, ma solo a pressioni estreme.
Se si comprime troppo una stella di neutroni, tutti i neutroni perdono la capacità di sostenere la stella e questa esplode formando un buco nero. Ma potrebbe esserci uno stadio intermedio in cui la pressione è abbastanza alta da dissolvere i neutroni e formare una strana stella di quark, ma non abbastanza forte da permettere alla gravità di prendere il sopravvento.
Gli astronomi non si aspettano di trovare molte strane stelle nell'universo, questi oggetti dovrebbero essere più pesanti delle stelle di neutroni ma più leggeri dei buchi neri e non c'è molto spazio di manovra. E poiché non comprendiamo appieno la fisica delle stelle strane, non conosciamo nemmeno le masse esatte alle quali possono esistere stelle strane.
Ma un team di astronomi ha recentemente esaminato GW190425, un evento di onde gravitazionali causato dalla fusione di due stelle di neutroni osservata nel 2019. Insieme all'enorme quantità di onde gravitazionali, la fusione delle stelle di neutroni provoca la formazione di una kilonova, un'esplosione più potente di una normale nova ma più debole di una supernova. Sebbene gli astronomi non siano stati in grado di rilevare un segnale elettromagnetico da questo evento, hanno osservato un evento simile nel 2017 che ha prodotto sia onde gravitazionali che radiazioni.
Quando due stelle di neutroni si fondono, ci sono diverse opzioni per lo sviluppo di eventi a seconda delle loro masse, spin e angolo di collisione. Secondo calcoli teorici, le stelle di neutroni possono distruggersi a vicenda, formare un buco nero o creare una stella di neutroni leggermente più massiccia.
E secondo un nuovo studio, queste collisioni cosmiche potrebbero portare alla formazione di una strana stella di quark.
Il team ha stimato che la massa dell'oggetto rimasto dalla fusione del 2019 era compresa tra 3,11 e 3,54 masse solari. Sulla base della nostra migliore comprensione della struttura delle stelle di neutroni, è troppa massa e dovrebbe essere esplosa in un buco nero. Ma rientra anche nell'intervallo di masse consentito dai modelli strutturali di queste strane stelle.
È troppo presto per dire se GW190425 del 2019 sia la nostra prima osservazione di una stella rara con uno strano quark, ma le osservazioni future (e il lavoro più teorico) potrebbero aiutare gli astronomi a individuare la posizione di una di queste creature esotiche.
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