Il Chandra X-ray Observatory della NASA ha rilevato la prima evidenza diretta di un bizzarro superfluido, privo di attrito di stato della materia, al centro di una stella di neutroni.
Le stelle di neutroni contengono la materia nota più densa direttamente osservabile. Un cucchiaino di materiale di una stella di neutroni pesa sei miliardi di tonnellate. La pressione nel nucleo della stella è talmente elevata che la maggior parte delle particelle cariche, elettroni e protoni si fondono con la conseguenza che le stelle sono prevalentemente composte da particelle chiamate neutroni senza carica.
Due gruppi di ricerca indipendenti hanno studiato il resto della supernova Cassiopea A, o Cas A. Si tratta dei resti di una stella massiccia posta a 11 mila anni luce di distanza, che sarebbe esplosa circa 330 anni fa, come fu osservato dalla Terra.
I dati di Chandra hanno rilevato un rapido calo della temperatura della stella di neutroni ultra-densa che è rimasta dopo la supernova, dimostrando che si era raffreddata di circa il quattro per cento in soli 10 anni.
"Questo calo della temperatura, anche se piccolo, è davvero drammatico e sorprendente da vedere", ha detto Dany Page della Università Nazionale Autonoma del Messico, principale scienziato del team che ha pubblicato il documento sulla rivista Physical Review Letters il 25 febbraio 2011.
"Questo significa che qualcosa di insolito sta accadendo all'interno di questa stella di neutroni".
I superfluidi contenenti particelle cariche sono superconduttori, nel senso che agiscono come perfetti conduttori elettrici e non perdono mai l'energia. I nuovi risultati suggeriscono invece che i protoni nel nucleo residuo della stella, sono in uno stato superfluido e, poiché portano una carica, costituiscono anche un superconduttore.
"Il rapido raffreddamento della stella di neutroni Cas A, visto con Chandra, è la prima prova diretta che i nuclei di queste stelle di neutroni sono, in realtà, fatte da superfluidi e materiali superconduttori", ha detto Peter Shternin dell'Istituto Ioffe in St Petersburg, Russia, responsabile del team che ha pubblicato un documento sul Bollettino mensile degli Avvisi della Royal Astronomical Society.
Entrambi i team hanno dimostrato che questo raffreddamento rapido si spiega con la formazione di un superfluido di neutroni nel nucleo della stella. Il raffreddamento rapido è destinato a continuare per qualche decennio e poi dovrebbe cessare.
L'inizio della superfluidità nei materiali sulla Terra avviene a temperature estremamente basse vicine allo zero assoluto, ma nelle stelle di neutroni, può verificarsi a temperature vicino al miliardo di gradi Celsius. Fino ad ora c'è stata una grande incertezza nelle stime di questa temperatura critica. Questa nuova ricerca limita la temperatura critica tra il mezzo miliardo e poco meno di un miliardo di gradi.
Cas A consentirà ai ricercatori di testare i modelli di come la forza nucleare forte, che lega le particelle subatomiche, si comporta nelle materie ultradense. Questi risultati sono importanti anche per comprendere una serie di comportamenti delle stelle di neutroni, compresi i "difetti" come la loro precessione e la pulsazione, le esplosioni in magnetar e l'evoluzione dei campi magnetici della stella di neutroni.
I piccoli cambiamenti improvvisi di velocità di rotazione delle stelle di neutroni rotanti, chiamati "glitch", hanno già dato prova della loro superfluidità rispetto alla densità della stella.
Cas A ci svela nuove informazioni sulla regione interna ad altissima densità delle stelle di neutroni.
"In precedenza non avevamo idea di come la superconduttività fosse stata prorogata dai protoni in una stella di neutroni", ha detto Shternin co-autore Dmitry Yakovlev, anch'egli presso l'Istituto Ioffe.
Il raffreddamento di Cas A è stato scoperta dal co-autore Craig Heinke, presso l'Università di Alberta, in Canada, e da Wynn Ho, presso l'Università di Southampton, nel Regno Unito, nel 2010. Era la prima volta che gli astronomi misuravano la velocità di raffreddamento di una stella di neutroni giovane.
Foto in alto:
Questa immagine composita ci mostra una bella vista ai raggi X e in ottica di Cassiopea A (Cas A), un resto di supernova situato nella nostra Galassia a circa 11.000 anni luce di distanza. Sono i resti di una stella massiccia esplosa circa 330 anni fa.
I raggi X di Chandra sono mostrati in rosso, verde e blu assieme ai dati ottici di Hubble in oro. Al centro dell'immagine vi è una stella di neutroni ultra-densa creatasi dall'esplosione della supernova.
L'inserto artistico mostra un'impressione della stella di neutroni al centro del Cas A. I diversi strati di colore della regione nel ritaglio mostrano la crosta (arancione) e il nucleo (rosso), dove la densità è molto più alta e la parte del nucleo ritenuta di essere in uno stato superfluido (sfera rossa interna).
I raggi blu emanati dal centro della stella, rappresentano gli abbondanti neutrini, particelle debolmente interagenti quasi senza massa, che vengono creati quando la temperatura interna scende sotto un livello critico e si forma un superfluido in un processo che ha avuto inizio circa 100 anni.
Questi neutrini in fuga dalla stella, portano con loro l'energia provocando il rapido raffreddamento della stella. (Credit: Credit: X-ray: NASA / CXC / xx; ottica: NASA / STScI; Illustrazione: NASA / CXC / M.Weiss)
Traduzione a cura di Arthur McPaul
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