Strane particelle nel cuore delle stelle magnetiche

Le magnetar, stelle di neutroni con forti campi magnetici, sono tra le cose più estreme dell’universo. Il suo campo magnetico è così forte che influenzerà la sua composizione e, così facendo, il suo raggio o evoluzione. A causa dell’intensa densità al centro della magnetar, il materiale ha una forma particolarmente strana. Ma i modelli che descrivi sono perfetti. E così Kawan Marques, dell’Università Federale di Santa Catarina, a Florianópolis, in Brasile, ei suoi colleghi hanno studiato l’effetto della presenza di particelle rare, i delta barioni, nei nuclei delle magnetar.

La stella estremamente massiccia ha una vita breve durante la quale brucia l’idrogeno e l’elio che contiene a una velocità vertiginosa. L’energia rilasciata dalle reazioni di fusione termonucleare crea una pressione sufficiente per bilanciare la massa della stella. Ma quando il carburante si esaurisce, la stella collassa su se stessa ed esplode in una supernova: gli strati esterni vengono espulsi violentemente mentre il nucleo collassa e forma una stella di neutroni (o talvolta un buco nero).

Durante la formazione di una stella di neutroni, la velocità di rotazione della stella primaria e il suo campo magnetico aumentano di diversi ordini di grandezza. Se il periodo di rotazione finale è dell’ordine di un secondo o meno, allora stiamo parlando di una pulsar. Ma se la stella iniziale ha già un grande campo magnetico, il campo magnetico dell’oggetto finale può raggiungere 10¹¹ Tesla in superficie: viene quindi chiamata magnetar. In confronto, una tipica stella di neutroni ha un campo magnetico dell’ordine di 10 .⁸ Il tesla medio del sole è di circa 10 ^{– 4} Tesla e quelli della Terra sono solo 50 microtesla.

Sotto l’influenza della densità estrema, la materia assume una forma atipica nelle stelle di neutroni. Gran parte degli elettroni si fonde con i protoni del nucleo di un atomo per formare neutroni. Quindi la materia è costituita da nuclei ricchi di neutroni, anche da un fluido di neutroni, protoni ed elettroni. Ma al centro della stella, la pressione è così forte da consentire l’emergere di particelle più esotiche, che incontriamo sulla Terra solo in collisioni ad alta energia all’interno di acceleratori di particelle. Queste particelle, come il protone e il neutrone, appartengono alla famiglia dei barioni, cioè sono composte da tre quark (un protone è formato da due quark). un quark ; neutrone, due e uno un).

Finora, gli specialisti nei loro modelli di stelle di neutroni consideravano barioni legati al protone e al neutrone (che hanno uno spin pari a 1/2 e sono raggruppati in un gruppo chiamato “ottetto”). Una domanda che sorge è l’effetto del campo magnetico su questo materiale esotico. Nel 2015 Deparati Chatterjee, dell’Istituto IUCAA, a Pune, in India, coautore di questo nuovo studio, con Jerome Novak e Michaela Ortel, del Laboratory of Universe and Theories (Loth), a Parigi, ha studiato l’impatto di un nuovo studio. Campo magnetico intenso su un liquido di neutroni o quark distaccati. Questo effetto è risultato debole.

Kauan Marquez e colleghi hanno preso in considerazione nel loro modello una nuova particella, i delta barioni, che hanno una rotazione di 3/2 e che appartengono a un “decuplet”. Secondo i ricercatori, queste particelle dovrebbero avere una bassa probabilità di apparire all’interno della materia esotica dei neutroni e delle stelle magnetiche, perché sono appena il 30% più pesanti del protone e del neutrone e sono persino più leggere di alcuni barioni di spin 1/2. . Un altro interesse per i barioni delta è il loro elevato “momento magnetico anomalo”, una proprietà intrinseca che li rende più sensibili al campo magnetico. Pertanto, la materia contenente delta barioni deve interagire più fortemente di una semplice interazione liquida di neutroni con un campo magnetico, in particolare in una magnetar.

Per includere i barioni delta, il team di Cowan Marquis ha utilizzato due modelli per descrivere la formazione di una stella di neutroni su scala microscopica. In alcuni casi, i barioni delta superano il 10% del contenuto del nucleo della stella (con o senza campo magnetico). Ma i ricercatori hanno avuto difficoltà a studiare gli effetti della presenza di questi barioni sulle proprietà della magnetar: il campo magnetico distorce così tanto la stella che le equazioni classiche derivano dalla relatività generale (le equazioni di Tolman-Oppenheimer-Volkoff), che presuppongono un geometria sferica simmetrica, non utilizzabile. Quindi i ricercatori hanno utilizzato le equazioni di Einstein-Maxwell, che sono difficili da risolvere.

Con quale risultato? Secondo questi nuovi calcoli, le magnetar arricchite con particelle delta hanno, per una data massa, un raggio più piccolo delle magnetar prive di queste particelle. “Il team ha dimostrato che i magneti possono effettivamente contenere barioni delta, sottolinea Jerome Novak. Ma la cosa più interessante è che le loro simulazioni magnetiche sono compatibili con i vincoli di osservazione. Inoltre, la massa di tali magneti arricchiti può raggiungere fino a due masse solari”, insiste Jerome. Novak ha detto: “Questo risultato non è facile da ottenere. In generale, quando aggiungiamo la probabilità di apparizione della particella, questa “diluisce” l’equazione di stato e riduce la massa massima accessibile, che spesso è al di sotto della soglia osservata per due masse solari. Un altro passo per capire queste strane cose.