Ci vogliono 512 anni perché un fotone ad alta energia viaggi dalla stella di neutroni più vicina alla Terra. Solo alcuni di loro fanno il viaggio. Ma portano le informazioni necessarie per risolvere una delle domande più difficili in astrofisica.
I fotoni sparano nello spazio in una corsa energica. Fasci caldi di energia a raggi X esplodevano dalla superficie del piccolo residuo ultradenso e rotante di una supernova. Le travi si disperdono per lunghi secoli in transito. Ma ogni tanto, un singolo punto di luce a raggi X che percorre 157 parsec (512 anni luce) attraverso lo spazio - 32 milioni di volte la distanza tra la Terra e il sole - si spende contro la X della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) -ray telescopio, soprannominato NICER. Quindi, sulla Terra, un file di testo inserisce un nuovo punto di dati: l'energia del fotone e il suo tempo di arrivo, misurati con precisione al microsecondo.
Quel punto dati, insieme a innumerevoli altri simili raccolti nel corso dei mesi, risponderà a una domanda di base non appena l'estate 2018: quanto è largo J0437-4715, il vicino di stella di neutroni più vicino della Terra?
Se i ricercatori riescono a capire l'ampiezza di una stella di neutroni, il fisico Sharon Morsink ha detto a una folla di scienziati all'incontro dell'aprile 2018 dell'American Physical Society (APS), che le informazioni potrebbero indicare la strada per risolvere uno dei grandi misteri della fisica delle particelle: come la materia si comporta quando viene spinta ai suoi estremi più selvaggi?
Sulla Terra, data la tecnologia esistente dell'umanità, ci sono alcuni limiti rigidi su come può arrivare la materia densa, anche in laboratori estremi, e limiti ancora più duri su quanto tempo può sopravvivere la materia più densa che gli scienziati fanno. Ciò significa che i fisici non sono stati in grado di capire come le particelle si comportano a densità estreme. Non ci sono molti buoni esperimenti disponibili.
"Esistono diverse metodologie che le persone escogitano per cercare di dire come dovrebbe comportarsi la materia super densa, ma non sono tutti d'accordo", Morsink, un fisico dell'Università di Alberta e membro di un gruppo di lavoro della NASA focalizzato sulla larghezza delle stelle di neutroni, ha detto a Live Science. "E il modo in cui tutti non sono d'accordo può effettivamente essere testato perché ognuno di essi fa una previsione di quanto può essere grande una stella di neutroni."
In altre parole, la soluzione al mistero della materia ultradensa è rinchiusa in alcuni degli oggetti più densi dell'universo: le stelle di neutroni. E gli scienziati possono svelare quel mistero non appena misurano esattamente quanto sono grandi (e quindi dense) le stelle di neutroni.
Fisica delle particelle nello spazio profondo
"Le stelle di neutroni sono gli oggetti più scandalosi di cui la maggior parte delle persone non ha mai sentito parlare", ha detto lo scienziato della NASA Zaven Arzoumanian ai fisici durante l'incontro di Columbus, nell'Ohio.
Arzoumanian è uno dei capi del progetto NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer) della NASA, che costituisce la base tecnica per il lavoro di Morsink. NICER è un grande telescopio orientabile montato sulla ISS; controlla e precisamente i tempi dei raggi X che arrivano nell'area dell'orbita terrestre bassa dallo spazio profondo.
Una stella di neutroni è il nucleo lasciato alle spalle dopo una massiccia esplosione di supernova, ma si ritiene che non sia molto più largo di una città di medie dimensioni. Le stelle di neutroni possono ruotare ad alte frazioni della velocità della luce, lanciando nello spazio fasci tremolanti di energia a raggi X con tempi più precisi rispetto al ticchettio degli orologi atomici.
E, soprattutto, ai fini di Morsink e dei suoi colleghi, le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi conosciuti nell'universo che non sono crollati in buchi neri - ma a differenza dei buchi neri, è possibile per gli scienziati capire cosa succede al loro interno. Gli astronomi devono solo sapere con precisione quanto sono davvero ampie le stelle di neutroni e NICER è lo strumento che dovrebbe finalmente rispondere a questa domanda.
Zuppa di quark
Gli scienziati non sanno esattamente come si comporta la materia nel nucleo estremo di una stella di neutroni, ma capiscono abbastanza da sapere che è molto strano.
Daniel Watts, un fisico delle particelle dell'Università di Edimburgo, ha dichiarato a un pubblico separato della conferenza APS che l'interno di una stella di neutroni è essenzialmente un grande punto interrogativo.
Gli scienziati hanno alcune eccellenti misurazioni delle masse di stelle di neutroni. La massa di J0437-4715, ad esempio, è circa 1,44 volte quella del sole, nonostante sia più o meno la dimensione di Lower Manhattan. Ciò significa, secondo Morsink, che J0437-4715 è molto più denso del nucleo di un atomo - di gran lunga l'oggetto più denso che gli scienziati incontrano sulla Terra, dove la stragrande maggioranza della materia di un atomo si raccoglie in un piccolo granello al centro.
A quel livello di densità, spiegò Watts, non è affatto chiaro come si comporti la materia. I quark, le minuscole particelle che compongono i neutroni e i protoni, che compongono gli atomi, non possono esistere liberamente da soli. Ma quando la materia raggiunge densità estreme, i quark potrebbero continuare a legarsi in particelle simili a quelle sulla Terra, oppure formare particelle più grandi e più complesse, o forse confondersi completamente in una zuppa di particelle più generalizzata.
Ciò che gli scienziati sanno, Watts ha detto a Live Science, è che i dettagli di come la materia si comporta a densità estreme determineranno la larghezza delle stelle di neutroni. Quindi, se gli scienziati possono elaborare misurazioni precise delle stelle di neutroni, possono restringere la gamma di possibilità su come la materia si comporta in quelle condizioni estreme.
E rispondere a questa domanda, disse Watts, potrebbe sbloccare le risposte a tutti i tipi di misteri della fisica delle particelle che non hanno nulla a che fare con le stelle di neutroni. Ad esempio, ha detto, potrebbe aiutare a rispondere a come i singoli neutroni si sistemano nei nuclei di atomi molto pesanti.
Le misurazioni NICER richiedono tempo
Si ritiene che la maggior parte delle stelle di neutroni, secondo Morsink, abbia una larghezza compresa tra circa 12 e 17 miglia (20 e 28 chilometri), anche se potrebbero essere strette come 10 miglia (16 km). Questa è una gamma molto ristretta in termini di astronomia, ma non abbastanza precisa per rispondere al tipo di domande a cui Morsink e i suoi colleghi sono interessati.
Per ottenere risposte ancora più precise, Morsink e i suoi colleghi studiano i raggi X provenienti da "punti caldi" che ruotano rapidamente su stelle di neutroni.
Sebbene le stelle di neutroni siano sfere incredibilmente compatte, i loro campi magnetici fanno sì che l'energia che fuoriesce dalle loro superfici sia abbastanza irregolare. Macchie luminose si formano e fungono sulla loro superficie, ruotando in tondo mentre le stelle girano più volte al secondo.
È qui che entra in gioco NICER. NICER è un grande telescopio orientabile montato sulla ISS che può cronometrare la luce proveniente da quelle patch con incredibile regolarità.
Ciò consente a Morsink e ai suoi colleghi di studiare due cose, entrambe le quali possono aiutarli a capire il raggio di una stella di neutroni:
1. La velocità di rotazione: Quando la stella di neutroni ruota, disse Morsink, il punto luminoso sulla sua superficie strizza l'occhio verso e lontano dalla Terra quasi come il raggio di un faro che gira cerchi. Morsink e i suoi colleghi possono studiare attentamente i dati di NICER per determinare esattamente quante volte la stella sbatte le palpebre ogni momento ed esattamente quanto velocemente il punto luminoso si sta muovendo nello spazio. E la velocità del movimento del punto luminoso è una funzione della velocità di rotazione della stella e del suo raggio. Se i ricercatori riescono a capire la rotazione e la velocità, il raggio è relativamente facile da determinare.
2. Flessione leggera: Le stelle di neutroni sono così dense che NICER può rilevare i fotoni dal punto luminoso della stella che sparava nello spazio mentre il punto era puntato lontano dalla Terra. Il pozzo gravitazionale di una stella di neutroni può piegare la luce così bruscamente che i suoi fotoni si rivolgono verso e colpiscono il sensore di NICER. Il tasso di curvatura della luce è anche una funzione del raggio della stella e della sua massa. Quindi, studiando attentamente quanto una stella con una luce di curva di massa nota, Morsink e i suoi colleghi possono capire il raggio della stella.
E i ricercatori stanno per annunciare i loro risultati, ha detto Morsink. (Diversi fisici durante il suo discorso sull'APS hanno espresso una leggera delusione per non aver annunciato un numero specifico e l'eccitazione per l'arrivo.)
Morsink disse a Live Science che non stava cercando di stuzzicare il prossimo annuncio. NICER non ha ancora raccolto abbastanza fotoni perché la squadra possa offrire una buona risposta.
"È come togliere una torta dal forno troppo presto: finisci per fare un casino", ha detto.
Ma i fotoni stanno arrivando, uno ad uno, durante i mesi di studio periodico di NICER. E una risposta si sta avvicinando. In questo momento, il team sta esaminando i dati provenienti da J0437-4715 e dalla stella di neutroni più vicina alla Terra, che è circa il doppio.
Morsink ha detto che non è sicura di quale raggio di stella di neutroni pubblicherà per primo insieme ai suoi colleghi, ma ha aggiunto che entrambi gli annunci arriveranno tra qualche mese.
"L'obiettivo è che ciò accada più avanti questa estate, dove" estate "viene utilizzata in un senso abbastanza ampio", ha detto. "Ma direi che entro settembre dovremmo avere qualcosa".
