Nucleare Pasta in Stelle di Neutroni

Titolo: Astromaterial Scienza e Nucleare Pasta

Autori: M. E. Caplan, C. J. Horowitz

Primo Autore Ente di appartenenza: Università dell’Indiana, stati UNITI.

Stato: arXiv.org accesso aperto

all’Interno di una stella di neutroni

le stelle di Neutroni sono il più denso di oggetti nell’universo. Naturalmente, la materia al loro interno è esotica e diversa da qualsiasi altra cosa sulla Terra — immagina di schiacciare la massa del nostro Sole in una stella a soli 10 km di distanza! Come si può intuire dal loro nome, le stelle di neutroni sono composte principalmente da neutroni, con una piccola frazione di elettroni e protoni che contribuiscono anche alla loro massa. Una stella di neutroni può essere considerata analoga a un nucleo atomico gigante, legato da forze gravitazionali piuttosto che dalla forza forte. Sotto la pressione esercitata dalla gravità, la materia viene compressa alla stessa densità dei nuclei degli atomi; le proprietà della materia ad alta densità nelle stelle di neutroni sono discusse in questo morso.

Ora, vediamo la discesa attraverso la crosta di una stella di neutroni. La figura 1 fornisce uno schema degli strati stratificati che incontriamo durante la nostra discesa. Nella crosta esterna, i neutroni si combinano in nuclei che formano un reticolo solido. Mentre scendiamo più in profondità nella crosta, i nuclei diventano sempre più giganti e ricchi di neutroni. Oltre una certa dimensione, i neutroni iniziano a traboccare dai nuclei e sgocciolano, formando un oceano di neutroni liberi in cui è immerso il reticolo dei nuclei. Questo significa la nostra transizione nella crosta interna. Qui, alla base della crosta (o “mantello”), scopriamo le intricate strutture nucleari di cui si occupa la carta di oggi. Di solito ci aspettiamo che i nuclei siano sferici, ma qui i nuclei si deformano e si fondono, formando grappoli di forme esotiche chiamate “pasta nucleare”. Oltre questo punto, entriamo nel nucleo della stella dove troviamo materia nucleare uniforme: un superfluido di neutroni (una sostanza che scorre senza attrito) coesiste con un superconduttore protonico (un materiale che conduce elettricità senza resistenza).

Figura 1: (a) Struttura di una stella di neutroni. I simboli N, n, p, e, μ corrispondono rispettivamente a nuclei, neutroni fluidi e protoni, elettroni e muoni. b) Composizione della crosta interna di una stella di neutroni. Fonte: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Pasta nucleare

Nelle condizioni estreme e ad alta densità all’interno di una stella di neutroni, la competizione tra attrazione nucleare e repulsione di Coulomb produce strutture esotiche chiamate pasta nucleare. Ravenhall, Pethick e Wilson furono i primi a indagare su queste insolite configurazioni di materia nucleare. La pasta nucleare è caratterizzata da schemi complessi e non sferici come tubi, fogli e bolle; queste configurazioni riducono al minimo la loro energia (vedi Figura 2). Il nome “pasta nucleare” è nato a causa di una somiglianza con diverse varietà di pasta — come lasagne, gnocchi e spaghetti!

Attualmente, la nostra comprensione della pasta nucleare nelle stelle di neutroni si basa in gran parte su calcoli teorici. Tuttavia, esistono alcune prove osservazionali che supportano l’esistenza di pasta nucleare nella crosta. Ad esempio, Pons, Vigano e Rea postulano che la fase pasta limita il periodo massimo di rotazione delle stelle di neutroni rotanti (pulsar). Suggeriscono che l’assenza di pulsar isolate a raggi X con periodi di spin superiori a 12 secondi potrebbe essere una prova osservazionale della pasta nucleare. La ricerca di firme osservazionali dello strato di pasta nucleare è un argomento di ricerca di grande interesse.

Figura 2: Esempi di diverse fasi di pasta nucleare. Figura 3 in carta.

Risultati

In questo lavoro, gli autori conducono simulazioni semi-classiche di dinamica molecolare della pasta nucleare. L’approccio semi-classico è giustificato perché i comportamenti rilevanti coinvolgono cluster di migliaia di nucleoni e questi cluster pesanti possono essere trattati classicamente. Gli effetti quantistici presenti a scale più piccole sono messi a mano attraverso i parametri nel modello semi-classico.

Gli autori modellano la geometria e la topologia delle complesse strutture di pasta raffigurate in Figura 2 ed estraggono proprietà utili del materiale, come la conduttività termica ed elettrica. Gli autori discutono come la presenza di uno strato di pasta alla base della crosta di stelle di neutroni potrebbe influenzare le osservazioni di fenomeni astrofisici come i neutrini di supernova, il decadimento del campo magnetico e il raffreddamento della crosta di stelle di neutroni in accrescimento.

Sopra abbiamo discusso il documento scritto da Pons et al. in cui si prevede che le fasi di pasta nucleare contengano impurità. Le impurità causano il decadimento del campo magnetico della stella di neutroni su 0,1-1 Myr, coerentemente con la popolazione osservata di pulsar isolate a raggi X con periodi di spin inferiori a 12 secondi. Le simulazioni di dinamica molecolare nel documento di oggi forniscono prove a sostegno dell’ipotesi del Pon secondo cui la pasta ha un alto parametro di impurità. Pertanto, un altro pezzo del puzzle si adatta e abbiamo ancora più ragione di credere che la pasta nucleare esista all’interno delle stelle di neutroni.

  • Circa l’autore

Informazioni su Lisa Drummond

Sono una dottoranda di astrofisica con interessi in oggetti compatti e onde gravitazionali. Ho studiato neutron star interiors per la mia tesi di laurea presso l’Università di Melbourne, Australia e ora sto facendo il mio dottorato di ricerca al MIT.

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