Le stelle di neutroni sono i cadaveri stellari lasciati quando una stella massiccia diventa supernova. Sono inimmaginabilmente densi: un cucchiaio di stella di neutroni posto sulla superficie terrestre peserebbe all’incirca quanto il Monte Everest (mentre un cucchiaio di sole peserebbe solo circa 5 libbre).

E mentre la gamma di massa delle stelle di neutroni è stata relativamente ben limitata nel corso degli anni, è stato più difficile stabilire con precisione quanto siano ampie. La maggior parte degli astronomi, tuttavia, pensa che la massa sia racchiusa in una sfera grande quanto una città.

Ora, un nuovo studio ha combinato le misurazioni delle onde gravitazionali con altre tecniche per posizionare i migliori vincoli ancora sulla loro dimensione. La stima suggerisce che una tipica stella di neutroni è di circa 13,7 miglia di diametro. Quella dimensione ha implicazioni interessanti per ciò che accade quando si avvicinano troppo a un altro degli oggetti più misteriosi del cosmo: i buchi neri. I risultati delle nuove dimensioni indicano che un buco nero può inghiottire una stella di neutroni intera in molte circostanze, lasciando dietro di sé poche prove che gli astronomi terrestri possono scoprire con i telescopi convenzionali.

Come si formano le stelle di neutroni

Le stelle massicce esplodono quando esauriscono i loro gas usati per la fusione nucleare. Mentre una violenta esplosione di materiale erutta in tutte le direzioni, ciò che rimane si condensa in una stella di neutroni. Se una stella è abbastanza massiccia, il residuo può condensare ulteriormente in un buco nero.

Ma le stelle solitarie come il nostro sole sono in minoranza nel nostro universo. La maggior parte delle stelle esiste in più sistemi. E quando due grandi stelle si evolvono fianco a fianco, questi sistemi solari alieni possono finire con due stelle di neutroni, due buchi neri o uno di ciascuno. Negli ultimi anni, gli astronomi hanno iniziato a rilevare questi sistemi grazie alle onde gravitazionali espulse quando si trasformano in spirale di morte l’una nell’altra. È così che gli astronomi hanno recentemente effettuato una misurazione estremamente accurata delle dimensioni di una stella di neutroni.

Nel 2017, il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti e il rivelatore Virgo in Italia hanno rilevato un segnale di onda gravitazionale che implicava che due stelle di neutroni si erano scontrate a circa 120 milioni di anni luce di distanza. Poco dopo, gli osservatori tradizionali hanno iniziato a vedere la collisione nelle lunghezze d’onda elettromagnetiche. Quei rilevamenti hanno portato intuizioni senza precedenti nella massa e nella rotazione degli oggetti.

Neutron Star Size

Un team guidato da ricercatori dell’Albert Einstein Institute (AEI) in Germania ha preso queste osservazioni e poi le ha combinate con modelli di come si comportano le particelle subatomiche nelle condizioni estremamente dense all’interno delle stelle di neutroni. Mentre è impossibile ricreare tali condizioni nei laboratori sulla Terra, i fisici hanno dimostrato di poter usare la teoria esistente per estrapolare i loro calcoli dalle scale più piccole a ciò che sta accadendo nelle stelle di neutroni distanti.

I loro risultati suggeriscono che le stelle di neutroni devono essere tra 13 e 15 miglia di diametro. E una tipica stella di neutroni dovrebbe essere larga circa 13,7 miglia. Le stime pongono vincoli più stretti sulla dimensione della stella di neutroni rispetto agli studi precedenti.

“Le stelle di neutroni contengono la materia più densa nell’universo osservabile”, ha detto il ricercatore e autore dello studio AEI Collin Capano in un comunicato stampa. “In effetti, sono così densi e compatti che puoi pensare all’intera stella come a un singolo nucleo atomico, scalato fino alle dimensioni di una città. Misurando le proprietà di questi oggetti, impariamo a conoscere la fisica fondamentale che governa la materia a livello subatomico.”

Inghiottito da un buco nero

Quel diametro diminutivo è abbastanza piccolo che una stella di neutroni che orbita in tandem con un buco nero potrebbe persino essere inghiottita completamente quando si avvicina troppo. Gli astronomi hanno osservato con impazienza le collisioni tra stelle di neutroni e buchi neri. Si aspettavano che queste fusioni avrebbero emesso forti radiazioni elettromagnetiche – il tipo di luce visibile dagli osservatori tipici sulla Terra.

Tuttavia, se la stella di neutroni non viene triturata quando i due si fondono, non verrà emessa alcuna luce che i telescopi terrestri potrebbero rilevare, secondo il nuovo studio. Allo stesso tempo, anche i rivelatori di onde gravitazionali probabilmente non sarebbero in grado di distinguere tra la fusione di buchi neri e una fusione mista.

“Abbiamo dimostrato che in quasi tutti i casi, la stella di neutroni non sarà lacerata dal buco nero e piuttosto inghiottita intera”, ha detto Capano. “Solo quando il buco nero è molto piccolo o gira rapidamente può disturbare la stella di neutroni prima di inghiottirlo; e solo allora possiamo aspettarci di vedere qualcosa oltre alle onde gravitazionali.”

Gli astronomi non dovrebbero aspettare troppo a lungo per scoprire se questa idea è giusta. I rivelatori gravitazionali del mondo diventeranno sempre più potenti nei prossimi anni. Se le collisioni stella-buco nero di neutroni si dimostrano più rare del previsto, almeno sapranno perché.

I risultati sono stati pubblicati il 9 marzo sulla rivista Nature Astronomy.