23/08/19

Stelle di neutroni in miniatura ***

La fusione di due stelle di neutroni è uno degli eventi più impressionanti dell'Universo. Purtroppo, anche se non siamo ancora a livello dei buchi neri, è un evento ben difficile da osservare (le stelle di neutroni sono molto piccole e poco luminose). Oltretutto è anche un evento molto raro di per sé. Non ci resta (per adesso) che cercare di ridurre drasticamente  le dimensioni e di costruire due "stelle" in laboratorio...

Lo scontro di due stelle di neutroni porta la materia a stati ancora quasi del tutto sconosciuti. Basta immaginare soltanto la terribile compressione ottenuta tra masse già di per sé in uno stato altamente degenere.  Ricordiamo soltanto che questo processo è stato il primo a essere stato visto sia otticamente che attraverso le onde gravitazionali (QUI). Le densità e le temperature che si raggiungono  sono, però, simili a quelle che su scala enormemente più piccola si manifestano negli scontri tra ioni pesanti.

E', quindi, stato usato un acceleratore di particelle e si è cercato di analizzare in dettaglio la radiazione elettromagnetica che si genera al momento di una collisione che simuli quella che avviene tra stelle di neutroni. Quando due ioni pesanti si scontrano a velocità prossime a quella della luce, la radiazione che si genera prende la forma dei cosiddetti fotoni virtuali, ossia di un fotone che nasce, ad esempio, da un elettrone e viene immediatamente assorbito da un altro.

Il meccanismo è in fondo quello che permette a due elettroni di restare separati come comanda la loro carica. Ne avevamo parlato a lungo trattando della QED (pagine tra la Fig. 54 e 55). Per darne una visione molto più semplice e intuitiva, immaginiamo di vedere due ragazzini su due barche in un lago. In realtà, essi si stanno lanciando una palla avanti e indietro e di conseguenza le barche tendono ad allontanarsi tra loro secondo le regole della meccanica classica (baricentro, quantità di moto e poco di più). Ma se vedo il tutto da molto lontano non riesco a vedere la palla e assisto a uno strano balletto in cui due ragazzini, muovendo le braccia, riescono a mantenersi a distanza. La palla, però, è quella che trasmette l'informazione, proprio come fa il fotone nel campo elettromagnetico.

La faccenda è riassunta nelle due figure che seguono. Nella prima abbiamo il vero fotone virtuale che fa da "mediatore" e spinge lontano due elettroni (uno dei più classici e semplici diagrammi di Feynman);

Il fotone virtuale che non fa scontrare i due elettroni, Un mediatore perfetto.
Il fotone virtuale che non fa scontrare i due elettroni, Un mediatore perfetto.

nella seconda i due ragazzini si allontanano attraverso il fotone virtuale "palla".

Due ragazzioni in barca si allontanano per effetto della palla che fa le veci del fotone virtuale
Due ragazzini in barca si allontanano per effetto della palla che fa le veci del fotone virtuale. Fonte: Vincenzo Giordano.

Il problema è che di fotoni virtuali se ne producono pochi negli esperimenti tra ioni e sono stati necessarie ben 3 miliardi di collisioni per costruire alla fine 20 000 fotoni virtuali misurabili.

Oltretutto, la luce emessa da questi fotoni  è molto debole e si è introdotta una tecnica che ha permesso di scannerizzare una foto di 30000 pixel in pochi microsecondi. Un metodo sul quale non chiedetemi di più... sapete quanto poco tecnologico sia il sottoscritto.

Veniamo, perciò, alle conclusioni più astrofisiche...

Ciò che si voleva determinare è una pietra miliare per iniziare a entrare nelle caratteristiche di un  processo ancora tutto da scoprire (e di osservare direttamente in modo approfondito nel Cosmo), ossia stabilire la temperatura al momento della fusione. E si è riusciti a farlo attraverso l'analisi dei fotoni virtuali e della loro energia. Un valore veramente incredibile, pari a 800 miliardi di gradi Celsius. Fondere dei nuclei così pesanti vuol dire avere a disposizione una cucina veramente potente!

Articolo originale QUI

Illustrazione della fusione di due stelle di neutroni. Le onde gravitazionali si propagano verso lo spazio, mentre un secondo più tardi si scaglia rapidissimo un getto di raggi gamma. Non pensiamo, comunque, di mettere un dito dove le due stelle si toccano... la temperatura è "leggermente" calda. Fonte: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Illustrazione della fusione di due stelle di neutroni. Le onde gravitazionali si propagano verso lo spazio, mentre un secondo più tardi si scaglia rapidissimo un getto di raggi gamma. Non pensiamo, comunque, di mettere un dito dove le due stelle  si toccano... la temperatura è "leggermente" elevata. Fonte: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

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