Astrofisica | Alla scoperta delle stelle “strane” per risolvere i misteri dell’Universo

Quando, nell’agosto del 2019, per la prima volta in assoluto, fu scattata una fotografia di un buco nero, i rilevatori di onde gravitazionali a Pisa e negli Stati Uniti intercettarono anche un secondo, misterioso segnale in onde gravitazionali, etichettato GW190814. 

Il segnale proveniva dalla fusione di un oggetto con una massa di circa due volte e mezza quella del Sole, con un buco nero di circa 23 masse solari. Quell’oggetto poteva essere o il buco nero più leggero di sempre o la stella di neutroni più massiccia mai scoperta. Entrambe le possibilità presentavano dei problemi; in particolare, non era chiaro se una stella di neutroni potesse raggiungere una massa così elevata.

Proprio la natura dei corpi celesti come quelli all'origine di GW190814 è oggetto dell’articolo pubblicato sul Physical Review Letters da Alessandro Drago e da Giuseppe Pagliara, professori del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell’Università di Ferrara e associati all’INFN, in collaborazione con le Università e l’INFN di Pisa e Catania. Descrivere questo oggetto è una grande sfida. Innanzitutto perché l’unico segnale da esso emesso prima di essere assorbito dal buco nero è quello in onde gravitazionali. Inoltre, la sua natura pone delle domande fondamentali alla Fisica Nucleare.

Masse di buchi neri e stelle di neutroni osservate tramite l’emissione di onde gravitazionali (OG) o di onde elettromagnetiche. Le stelle collegate da linee con una freccia sono oggetti che si sono fusi, emettendo OG e producendo l’oggetto indicato dalla freccia. L’evento GW190814 è evidenziato al centro dell’immagine e corrisponde alla fusione di un oggetto di massa circa due volte e mezza quella del sole con un buco nero di 23 masse solari. Si noti come l’oggetto “leggero” che partecipa alla fusione, indicato con un punto interrogativo, abbia una massa maggiore di quella di tutte le stelle di neutroni conosciute e minore di quella di tutti i buchi neri conosciuti.
Credit: LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller.

“Le stelle di neutroni - spiega Drago - sono quel che resta delle stelle che hanno finito la loro vita con una spettacolare esplosione detta di Supernova; estremamente dense, sono l’ultima 'fermata astronomica' prima del buco nero, ed emettono segnali elettromagnetici che sono cruciali per il loro studio”. 

Le difficoltà nell’interpretazione di quell’oggetto hanno portato ad una ipotesi:

“E se esistesse una nuova famiglia di stelle… ‘strane’, accanto a quelle fatte di neutroni?” suggerisce Drago nello studio. “Abbiamo notato che in condizioni di altissima densità, i neutroni presenti all’interno della stella si fondono e rilasciano i quark di cui sono formati. In particolare possono produrre i quark detti strani, che formano una materia molto particolare, detta appunto materia strana che è potenzialmente più stabile di qualsiasi altra fase della materia”. 

Relazione fra masse (in unità di masse solari) e raggi (in km) delle stelle strane. Il fascio di linee rosse indica varie possibili relazioni teoriche fra masse e raggi. Le curve chiuse delimitano i limiti osservativi per cinque diversi oggetti stellari indicati nella didascalia. Il rettangolino azzurro, etichettato J0740+6620, corrisponde ai limiti di massa e raggio per l’oggetto studiato dalla NASA. Come si nota, molte delle curve teoriche da noi proposte sono in grado di spiegare i dati osservativi di J0740+6620. Le stesse curve suggeriscono un raggio di circa 13 km per l’oggetto da 2.5 masse solari associato a GW190814 (non indicato in figura). Tale raggio non è però stato misurato. Credito: S.Traversi, P. Char, G. Pagliara, A. Drago, in fase di pubblicazione.

La stella di neutroni si trasforma quindi in stella strana, le cui caratteristiche riuscirebbero a dare un volto al corpo misterioso che si è fuso con il buco nero nell’agosto del 2019.

Questa possibilità sembra accordarsi molto bene con il recentissimo annuncio della NASA riguardante la misura del raggio di un altro oggetto compatto:

 “I raggi delle stelle strane da noi proposte soddisfano pienamente questi nuovi limiti osservativi, un risultato che non era per nulla scontato.
"Sebbene con questo studio siamo riusciti a suggerire una risposta, come spesso accade nella ricerca, sono sorte ancora più domande -  continua Drago -. Ora vogliamo sapere dove si nasconde la materia strana, soprattutto perché ci sono indizi che possa essere collegata alla materia oscura. Ad esempio, in collaborazione con Marco Casolino dell’INFN di TorVergata abbiamo presentato una proposta per la rivelazione di grumi di materia strana che impattino sulla superficie lunare, tramite una rete di sismografi”.

Per saperne di più

L’articolo scientifico “Was GW190814 a black hole - strange quark star system?” è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters  a marzo del 2021. 

La lista completa degli autori è: Ignazio Bombaci dell’Università di Pisa e INFN di Pisa, Alessandro Drago (nella foto) dell’Università di Ferrara e INFN di Ferrara, Domenico  Logoteta dell’Università di Pisa e INFN di Pisa, Giuseppe Pagliara dell’Università di Ferrara e INFN di Ferrara, and Isaac Vidaña dell’Università di Catania.

Per approfondire

L'intervista al Prof. Alessandro Drago a cura di Media Inaf

A cura di LUCIA MASCOTELLI, studentessa del Master in Giornalismo Scientifico e Comunicazione Istituzionale della Scienza