Miliardi di anni da oggi, quando il sole si trova nelle sue ultime piaghe della morte (cioè dopo che ha già vaporizzato la Terra), il suo nucleo di elio crollerà su se stesso, avvizzendosi in una sfera strettamente compressa di gas incandescente chiamata una nana bianca .
Ma mentre queste lapidi stellari punteggiano già il nostro paesaggio galattico, i loro interni rimangono un enigma in fisica - il che non sorprende, dato quanto siano strani.
Recentemente, una coppia di ricercatori ha creato un modello sofisticato per "guardare" l'interno di una nana bianca. E indovina cosa? Queste strane palle cosmiche potrebbero far vergognare i tartufi terrestri, poiché sembrano avere centri cremosi pieni zeppi di liquidi quantistici esotici.
La stella un tempo orgogliosa
Stelle come il nostro sole ottengono la loro energia fondendo l'idrogeno in elio in profondità nei loro nuclei. Questa produzione di energia non può durare per sempre - alla fine, l'idrogeno disponibile si esaurisce e la festa si ferma. Ma verso la fine della loro vita, le stelle possono riaccendere brevemente le luci bruciando elio, lasciando dietro di sé un nucleo inerte, morto di carbonio e ossigeno.
Ma le stelle piccole come il nostro sole non hanno abbastanza grinta gravitazionale per fondere carbonio e ossigeno in elementi più pesanti come il magnesio o il ferro, e quindi muoiono, rovesciandosi e rilasciando le loro atmosfere in un bellissimo (o gory, a seconda del tuo punto di vista) nebulosa planetaria.
Quel nucleo di carbonio e ossigeno rimane dietro, una frazione significativa della massa della stella bloccata all'interno di un nucleo non più grande della Terra. Quando gli astronomi hanno scoperto per la prima volta questi strani oggetti - ora conosciuti come nane bianche - hanno pensato che fossero impossibili, con densità calcolate che salivano oltre un miliardo di volte quella dell'aria che respiriamo. Come potrebbe qualcosa avere una densità così estrema e non semplicemente crollare sotto il suo stesso peso terribile?
Ma i nani bianchi non sono impossibili e le intuizioni teoriche all'inizio del XX secolo hanno risolto il mistero di come i nani bianchi potrebbero esistere. La risposta è arrivata sotto forma di meccanica quantistica e la consapevolezza che, ad alta densità, la natura è, per dirla semplicemente, molto strana. Nel caso di nane bianche, solo un certo numero di elettroni può essere impacchettato all'interno. Poiché questi elettroni rotanti si respingono a vicenda, insieme creano una pressione sufficiente a far muovere in aria le stelle morte, resistendo anche alle forze di gravità quasi schiaccianti.
E così i cadaveri stellari possono sopravvivere per trilioni di anni.
Centri riempiti di crema
Mentre questi primi calcoli mostravano come potessero esistere nane bianche nel nostro universo, gli astrofisici sapevano che semplici descrizioni non avrebbero catturato completamente ciò che accadeva in nuclei così esotici. Dopotutto, questo è uno stato della materia che è completamente inaccessibile ai laboratori e agli esperimenti qui sulla Terra - chissà a quali strani giochi potrebbe fare la natura, nel profondo di questi cuori morti?
Fisici e astronomi si sono interrogati sugli interni dei nani bianchi da decenni ormai, e in un recente articolo apparso sulla rivista di prestampa arXiv, una coppia di fisici teorici russi ha proposto un nuovo modello dei nuclei profondi nei nani bianchi, spiegando in dettaglio come il loro modello si basa e si discosta dal lavoro precedente e in che modo gli osservatori possono potenzialmente dire se il loro nuovo modello è accurato.
In questo nuovo modello, gli scienziati hanno simulato il nucleo del nano bianco come costituito da un solo tipo di nuclei carichi pesanti (questo non è del tutto accurato, poiché i nani bianchi sono una miscela di diversi elementi come carbonio e ossigeno, ma è un punto di partenza abbastanza buono), con queste particelle immerse in una densa zuppa di elettroni.
Questa configurazione presuppone che le nane bianche siano abbastanza calde da avere interni liquidi, il che è un presupposto ragionevole, dato che quando sono nati (o meglio, quando sono finalmente esposti dopo la morte delle loro stelle ospiti), hanno temperature bene superiore a un milione di gradi Kelvin.
Gli strati più esterni di una nana bianca sono esposti all'ambiente gelido di un vuoto puro, permettendo all'idrogeno di depositarsi sulla superficie, dando loro un'atmosfera leggera e sottile. E in tempi estremi, le nane bianche si raffreddano, formando alla fine un cristallo gigante, ma è abbastanza lungo che per la maggior parte, le nane bianche sono riempite con un esotico liquido quantico di carbonio e ossigeno, quindi il modello utilizzato in questo studio è relativamente accurato per gran parte della vita di un nano bianco.
Superfici distintive
Dato che le viscere dei nani bianchi rappresentano uno degli ambienti più insoliti dell'universo, studiarli potrebbe rivelare alcune proprietà profonde della meccanica quantistica in condizioni estreme. Ma dal momento che gli scienziati non possono mai sperare di legare un nano bianco nelle vicinanze per portarlo in una vivisezione, come possiamo forse dare un'occhiata sotto il cofano?
I ricercatori del nuovo modello hanno mostrato come la luce emessa dai nani bianchi possa essere diversa dal calore. I nani bianchi non generano calore da soli; le loro temperature intense sono il risultato delle pressioni gravitazionali estreme che hanno affrontato quando erano dentro le stelle. Ma una volta che la loro stella ospite soffia via e sono esposte allo spazio, si illuminano intensamente - nelle prime migliaia di anni dopo la loro grande rivelazione, sono così calde da emettere radiazioni a raggi X.
Ma si raffreddano, molto lentamente, perdendo il loro calore come radiazioni nello spazio. E guardiamo i nani bianchi da abbastanza tempo che possiamo vederli rinfrescarsi nel corso di anni e decenni. La velocità con cui si raffreddano dipende dall'efficienza con cui il calore intrappolato può fuoriuscire sulle loro superfici, il che a sua volta dipende dalla natura esatta delle loro viscere.
Un'altra caratteristica che i ricercatori hanno dimostrato che potrebbe essere usata per sondare le nane bianche è il loro tremolio sempre così leggero. Simile al modo in cui la sismografia viene utilizzata per studiare il nucleo della Terra, la composizione e il carattere di una nana bianca cambia il modo in cui le vibrazioni si mostreranno in superficie.
Infine, possiamo usare popolazioni di nane bianche per avere un'idea dei loro interni, poiché la relazione tra le loro masse e le loro dimensioni dipende dalle precise relazioni quantomeccaniche che governano i loro interni.
In particolare, la nuova ricerca suggerisce che la maggior parte delle nane bianche dovrebbe raffreddarsi più velocemente di quanto pensassimo, vibrare leggermente meno spesso di quanto suggeriscano i modelli più vecchi ed essere leggermente più grandi del previsto rispetto a se non prendessimo in considerazione questo modello più realistico. Ora spetta agli astronomi fare misurazioni abbastanza precise per vedere se stiamo davvero capendo questi ambienti esotici o se dobbiamo fare un'altra crepa.
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Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Space Radioe autore di Il tuo posto nell'universo.
