Modellistica e simulazioni gettano nuova luce sulla materia ad alta densità dei nuclei di stelle di neutroni
Essi hanno campi magnetici estremamente potenti e ospitano sia superfluidi che superconduttori. In particolare, la densità nei loro nuclei è così alta che è probabile che appaiano stati di materia insoliti. «I possibili stati non sono ancora compresi a livello teorico, pertanto le stelle di neutroni forniscono fonti stabili che possiamo osservare per apprendere maggiori informazioni sulla fisica a densità estreme», afferma Yuri Cavecchi, borsista Marie Skłodowska-Curie che ha guidato il progetto Burst3D, finanziato dall’UE. Le stelle di neutroni nei sistemi binari mostrano lampi di raggi X estremamente luminosi noti come esplosioni di tipo I. Quando la materia della stella compagna atterra sulla stella di neutroni a causa della forte gravità, viene compressa a una pressione estremamente elevata ed esplode efficacemente, emettendo lampi di raggi X luminosi. «L’evoluzione temporale dell’intensità di questi lampi contiene informazioni sul nucleo della stella di neutroni a causa degli effetti della relatività generale», spiega Cavecchi. «Tuttavia, dobbiamo essere in grado di modellare l’evoluzione della combustione e della temperatura della superficie per svelare completamente le informazioni che cerchiamo».
Simulazioni senza precedenti durante le esplosioni
I ricercatori hanno eseguito simulazioni al computer di esplosioni di tipo I che si svolgono su stelle di neutroni. Il risultato più importante delle simulazioni riguarda il ruolo delle instabilità della combustione della fiamma. «Mentre la fiamma si propaga attraverso la superficie, si sviluppano forti venti nella parte anteriore dove fluidi caldi e freddi sono in contatto»», osserva Cavecchi. «Questa configurazione è altamente instabile e divide il fronte della fiamma in vortici separati, più piccoli, simili a uragani di fuoco». Ci sono due effetti netti, secondo Cavecchi: «Innanzitutto, questi vortici si muovono davanti al fronte della fiamma, il che provoca una propagazione molto più rapida che può spiegare il rapido aumento dei lampi delle esplosioni. In secondo luogo, questi stessi vortici forniscono un modello di emissione asimmetrico e potrebbero potenzialmente spiegare le caratteristiche osservate nell’evoluzione temporale dell’intensità del lampo che sono fondamentali per comprendere la natura della materia nel nucleo delle stelle di neutroni». I vortici potrebbero essere la fonte diretta di queste caratteristiche oppure scatenare onde nell’oceano in fiamme che portano a questi segni.
Conciliazione di teoria e osservazioni
Le analisi hanno mostrato come conciliare la teoria della combustione nucleare con la frequenza di accensione osservata nelle esplosioni di tipo I e come collegare le osservazioni ai parametri di combustione. «Da un punto di vista osservazionale, diverse fonti hanno messo in discussione la nostra comprensione teorica della combustione e dell’accensione nucleari», osserva Cavecchi. «Controintuitivamente, mentre sempre più materia si accumula sulla superficie, alcune di queste fonti mostrano esplosioni sempre meno frequenti». I calcoli analitici includevano gli effetti di diverse condizioni sulla superficie della stella e il ruolo della miscelazione di nuovo materiale con le ceneri delle esplosioni precedenti. «Burst3D ha fornito risposte a domande aperte sulla fenomenologia delle esplosioni, aprendo la strada allo sfruttamento delle osservazioni a raggi X nello studio del comportamento della materia ultra densa nei nuclei di stelle di neutroni», conclude Nils Andersson, coordinatore del progetto e professore di matematica applicata presso l’Università di Southampton.
Parole chiave
Burst3D, materia ultra densa, stelle di neutroni, esplosioni di tipo I, lampi di raggi X, combustione nucleare