Fluidi speciali all’interno delle stelle di neutroni

Le stelle di neutroni insegnano sempre qualcosa e sono veri e propri laboratori di fisica nucleare. Spesso sono i migliori luoghi per verificare situazioni limite. Chandra ha scoperto un “superfluido” nel loro interno più profondo.

Il supefluido costituisce uno stato della materia con caratteristiche veramente bizzarre. Non possiede attrito, può salire e uscire dal contenitore che lo contiene, ha una conducibilità termica infinita, e molte altre caratteristiche fuori dal comune. Tuttavia, il solito, meraviglioso Chandra, è riuscito a scovarlo all’interno di una stella di neutroni, permettendo di capire sempre meglio i meccanismi che avvengono in oggetti ai limiti della densità.

Le stelle di neutroni contengono, infatti, il materiale più denso osservabile in natura (i buchi neri non sono “visibili”). Un cucchiaino da caffè di esse pesa circa sei miliardi di tonnellate. Ne consegue che la pressione nel nucleo più interno è così elevata che la maggior parte delle particelle cariche, elettroni e protoni, si uniscono dando luogo a neutroni senza carica, da cui il nome dell’oggetto.

Due ricerche indipendenti si sono indirizzate recentemente verso il residuo della supernova Cassiopea A (Cas A), l’ultimo stadio di una stella molto massiccia distante circa 11000 anni luce e che è esplosa 330 anni fa. In particolare, è stata notata una rapida diminuzione di temperatura, dell’ordine del 4% in soli dieci anni. Questo valore potrebbe sembrare piccolo, ma è invece qualcosa di veramente enorme e del tutto inaspettato. Qualcosa di strano stava certamente capitando all’interno della $stella di neutroni$.

La splendida nebulosa originata dall’esplosione dell’astro che ha dato origine alla stella di neutroni chiamata Cas A

La splendida nebulosa originata dall’esplosione dell’astro che ha dato origine alla $stella di neutroni$ chiamata Cas A. Nella figura piccola si vede una rappresentazione degli strati interni dell’oggetto celeste ultradenso. La parte più interna del nucleo è quella in cui si forma il superfluido neutronico e da cui partono i fasci di neutrini che, scappando verso l’esterno, causano la drastica perdita di temperatura. Una specie di “frigorifero” nucleare…

A questo punto, va ricordato che i superfluidi sono anche superconduttori. La spiegazione è allora abbastanza semplice (si fa per dire…): all’interno del nucleo stellare si forma un superfluido neutronico che crea fasci di neutrini e questi trasportano energia all’esterno, come mostrato nella Figura. In altre parole, il superfluido crea un perfetto conduttore di calore verso l’esterno dell’oggetto. Gli specialisti di questo tipo di materia non hanno praticamente dubbi in proposito.

E’ la prima volta che si assiste ad un fenomeno del genere in un interno stellare ultra denso. La perdita di calore dovrebbe essere cominciata circa 100 anni fa (visti dalla Terra, ovviamente) e continuerà a questo ritmo per alcuni decenni per poi diminuire drasticamente. Normalmente, nei laboratori terrestri, questo particolare stato della materia si ottiene a temperature prossime allo zero assoluto. Nelle stelle di neutroni invece capita addirittura vicino al miliardo di gradi.

Cas A permetterà di testare i modelli che cercano di descrivere come la forza nucleare forte, che tiene unite le particelle subatomiche, si comporta nella materia ultradensa, oltre, ovviamente, di fornire spiegazioni più accurate dei meccanismi tipici delle stelle di neutroni, come la pulsazione, i getti e i campi magnetici. Piccoli cambiamenti nella rotazione di queste stelle erano già stati spiegati con la presenza di superfluidi, ma solo sulla superficie, dove la densità è estremamente più bassa. Sicuramente i ricercatori hanno avuto una buona dose di fortuna, potendo seguire l’evoluzione di una $stella di neutroni$ così giovane.

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9 Commenti

  1. Veramente affascinante!! La natura ha sempre più sorprese da regalarci….
    Una curiosità: i neutrini sono emessi da un decadimento beta + ( e quindi da un protone che trasmuta in neutrone)? Oppure è il neutrone che decade, producendo però ANTI neutrini (decadimento beta -)? O, ancora, è prodotto da una cattura elettronica? O che? Io vedrei meglio la cattura, ma chissà….. ❓

  2. caro Red,
    da quanto penso di aver capito i neutrini si formano da una coppia di neutroni in stato di superfluido che interagisce rompendosi … Non ho trovato di meglio, ma penso sia qualcosa legato alla coppia di Cooper o cose del genere. Inoltre sembra che vi siano anche protoni in stato superfluido… Cose strane, insomma! 😯 😯 😯

  3. @enzo: Spero di non dire castronerie…. Se ho capito bene, i neutroni si accoppierebbero a due a due, comportandosi da bosoni e non più da fermioni?Allora, il superfluido potrebbe trovarsi anche in una condizione simile al condensato di Bose-Einstein, ma a temperature e pressioni inimmaginabili… 😯
    E, in effetti, sembra si comporti po’ come l’elio liquido….
    In più, ci sono anche protoni superfluidi….
    E i neutroni che si separano danno luogo a dei neutrini… Un po’ come dire che si trovano temporaneamente in uno stato energetico più elevato di quello naturale, e poi tornano allo stato naturale liberando energia sotto forma di neutrini…. 😯
    Hai proprio ragione: cose MOLTO strane…. ❓

  4. Mi sono sempre chiesto a cosa sia dovuta la vivace colorazione delle stelle di neutroni e più in generale delle nebulose. In questo momento mi viene in mente (anche se non centra niente la bebulosa del Granchio della costellazione del toro), gas ionizzati o altro ancora?

    Comunque gran bell’articolo.

  5. @Alessandro: Normalmente, la stella di neutroni ha temperature superficiali nell’ordine delle decine di milioni di gradi. Visto che c’è materia ordinaria ionizzata sulla sua superficie, se la potessimo vedere direttamente ci apparirebbe bianca o bianco-azzurra (almeno per i primi tempi, dopodiché perde energia e si raffredda). Il problema è che ha dimensioni dell’ordine delle decine di chilometri, e quindi non si può vederne una direttamente (almeno per ora).
    Quello che si vede, solitamente, è quello che resta dell’esplosione della stella che ha dato origine alla stella di neutroni. Sono cioè gas caldissimi che lentamente si diseccitano emettendo anche luce visibile.
    Oppure, i gas che stazionano intorno alla stella di neutroni vengono eccitati dalla stella stessa, che possiede un’enorme campo magnetico (pulsar o magnetar). Anche in questo caso, i gas si diseccitano emettendo, tra le altre, radiazioni visibili. Per finire se la stella ha una compagna, allora può strapparle parte della massa che cadendo sulla stella di neutroni si surriscalda, fino ad emettere raggi X che poi, assorbiti da altra materia, possono essere convertiti in radiazione visibile…
    Come sempre, lascio a chi ne sa di più la correzione di quanto sopra…

  6. Vediamo se ho capito bene gli elettrono quando passano da uno stato eccitato a uno stato meno eccitato emettono un fotone. Questo fotone sarebbe luce?

  7. @Alessandro: Esatto! Il tipo di luce dipende dal genere di atomo che lo genera, da quanti salti fa l’elettrone tra i livelli energetici, dalla “grandezza”del salto, dal fatto che l’atomo sia ionizzato o meno, ecc.
    Insomma, la riemissione dell’energia da luogo a una serie di fotoni diversi e caratteristici della materia che li emette, consentendoci di studiare al materia anche da lontano….

  8. Quindi questa iperconduttività di questa sorta di “brodo neutronico” (perdonatemi il neologismo per nulla corretto), data dalle elevate temperature, non è minimamente influenzata da campi elettromagnetici prodotti dalla stella e trasportando il calore otterremmo una sorta di stadi di addensamento della materia lungo il raggio di questa ipotetica sfera creata dopo l’esplosione della stella…. Un problema però sorge chiaro…. l’iperconduttibilità di questo liquido può essere magnetizzata come succede con un super conduttore magnetico se portato a basse temperature? Se sì otterremmo una sorta di fasce limite, dove si dovrebbero trovare i diversi stadi di aggregazione, che delimiterebbero anche l’andamento di onde elettromagnetiche… partendo da ciò noteremmo quindi che la luce potrebbe essere “filtrata” dallo strato di liquido e quindi ottenere una mappatura del progressivo addensarsi del liquido.. nel punto in cui noteremmo la maggior densità ci sarà il corpo celeste da noi cercato anche se, partendo dall’ipotesi precedentemente illustrata, non dovremmo riuscire in questo perché la luce della stella sarebbe confusa con quella del liquido… chiedo un parere, mi è sempre interessato questo argomento ❓ 🙂 🙂 ❓