Un’illustrazione mostra due stelle di neutroni che collidono e si fondono. Gli scienziati hanno scoperto un nuovo modo per sondare l’interno delle stelle di neutroni utilizzando le onde gravitazionali per trasformarle in “diapason cosmici”. Le risonanze di tali increspature nello spaziotempo potrebbero rivelare l’interno di questi resti stellari estremi. Nate quando le stelle massicce muoiono, le stelle di neutroni hanno fino a due volte la massa del sole compressa in un diametro di circa 20 chilometri. Ciò significa che sono composte dalla materia più densa dell’universo conosciuto. Ma a causa delle loro caratteristiche estreme, l’interno di questi resti stellari è avvolto nel mistero. Luciano Rezzolla e il suo gruppo di ricerca presso l’Università Goethe di Francoforte teorizzano che la chiave per rivelare l’interno delle stelle di neutroni potrebbe risiedere nelle collisioni tra questi resti stellari estremi. Più precisamente, il team pensa che la chiave sia concentrarsi su come il resto della collisione violenta fa risuonare lo spaziotempo con onde gravitazionali. “Proprio come i diapason di materiali diversi avranno toni puri diversi, i resti descritti da diverse equazioni di stato risuoneranno a frequenze diverse,” ha detto Rezzolla in una dichiarazione. “La rilevazione di questo segnale ha quindi il potenziale di rivelare di cosa sono fatte le stelle di neutroni.”
Le onde gravitazionali furono suggerite per la prima volta da Albert Einstein nella sua teoria della gravità del 1915, nota come relatività generale. La relatività generale suggerisce che la gravità nasce come risultato della massa che curva il tessuto stesso dello spaziotempo (l’unificazione quadridimensionale di spazio e tempo). Inoltre, quando oggetti massicci accelerano, inviano increspature nello spaziotempo. Quando due stelle di neutroni esistono in un sistema binario, mentre orbitano l’una attorno all’altra, irradiano onde gravitazionali. Questa radiazione gravitazionale porta via il momento angolare dal sistema binario, causando l’avvicinamento delle stelle di neutroni. Ciò aumenta la frequenza delle onde gravitazionali emesse, il che significa che il sistema perde momento angolare sempre più velocemente e si restringe sempre più rapidamente. Questo continua fino a quando la gravità reciproca delle stelle di neutroni prende il sopravvento e i resti stellari collidono, causando un’esplosione catastrofica chiamata kilonova. Questo invia anche un urlo di onde gravitazionali.
Questo processo crea un enorme resto post-fusione che ruota rapidamente e che emette anche onde gravitazionali mentre gira, sebbene in un intervallo di frequenza forte ma stretto. Rezzolla e colleghi propongono che queste onde gravitazionali abbiano codificato al loro interno informazioni sull’interno del resto post-fusione. Più precisamente, l’”equazione di stato” della materia nucleare all’interno descrive come la materia si comporta a densità e pressioni estreme. Utilizzando simulazioni al computer della relatività generale, il team ha scoperto che l’ampiezza del segnale delle onde gravitazionali post-fusione diminuisce nel tempo. Quando ciò accade, il segnale diventa sempre più “puro”. Ciò significa che inizia a convergere su una singola frequenza, simile a un gigantesco diapason che inizia a risuonare dopo essere stato colpito. Il team ha chiamato questa fase dell’evoluzione del segnale “long ringdown”. I ricercatori teorizzano che ci sia una forte connessione tra le caratteristiche del long ringdown e le proprietà delle regioni più dense nei nuclei delle stelle di neutroni.
L’analisi del segnale del long ringdown riduce quindi le incertezze nell’equazione di stato della materia alle densità incredibilmente elevate trovate all’interno delle stelle di neutroni. “Grazie ai progressi nella modellazione statistica e alle simulazioni ad alta precisione sui supercomputer più potenti della Germania, abbiamo scoperto una nuova fase del long ringdown nelle fusioni di stelle di neutroni,” ha detto il leader del team Christian Ecker, un ricercatore dell’Università Goethe, nella dichiarazione. “Ha il potenziale per fornire nuovi e stringenti vincoli sullo stato della materia nelle stelle di neutroni.”
I rilevatori di onde gravitazionali come LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e Virgo ascoltano queste increspature nello spaziotempo dal 2015. Tuttavia, un segnale di long ringdown come quello discusso in questa ricerca deve ancora essere “udito”. La speranza è che la prossima generazione di rilevatori di onde gravitazionali, inclusa l’osservatorio spaziale LISA (Laser Interferometer Space Antenna), sarà in grado di effettuare proprio tale rilevamento. “Questa scoperta apre la strada a una migliore comprensione della materia densa delle stelle di neutroni, specialmente man mano che nuovi eventi vengono osservati in futuro,” ha detto Ecker. La ricerca del team è stata pubblicata il 3 febbraio sulla rivista Nature Communications.