Stelle di neutroni in un laboratorio quantistico

SIMULATO CON ATOMI ULTRAFREDDI IL LORO COMPORTAMENTO IRREGOLARE

Le anomalie nella velocità di rotazione delle pulsar chiamate dai fisici “glitches” possono verificarsi anche in supersolidi ultrafreddi, che fungono dunque da versatili analoghi per studiare l’interno delle stelle di neutroni. Abbiamo intervistato la prima autrice dello studio che, su Physical Review Letters, riporta il risultato, Elena Poli dell’Università di Innsbruck.

Articolo di Marco Malaspina pubblicato il 14/12/2023

Oggetti affascinanti e misteriosi come pochi altri nel cosmo, le stelle di neutroni presentano numerose caratteristiche insolite. I lampi periodici di radiazione elettromagnetica che, ruotando rapidamente, emettono come pulsar consentono di misurarne con elevatissima precisione la velocità di rotazione. In questo modo gli astrofisici hanno scoperto un comportamento anomalo e del tutto controintuitivo, detto in gergo glitch: una stella di neutroni talvolta accelera improvvisamente la sua rotazione.

Com’è possibile? Le teorie non mancano, ma per verificarle l’ideale sarebbe averne una a disposizione, di queste stelle, e studiarla da vicino. Un sogno impossibile? Non è detto: se ci accontentiamo di una versione ridotta e semplificata, forse potremmo averne qualcuna non troppo lontano da casa. Occorre attraversare il passo del Brennero, entrare in Austria e guidare ancora verso nord per un’oretta circa, direzione Innsbruck, avendo impostato sul navigatore Technikerstrasse. È l’indirizzo del Centro per lo studio degli atomi ultrafreddi e dei gas quantistici dell’Università di Innsbruck: un luogo in cui il gruppo guidato dalla napoletana Francesca Ferlaino ha ormai da parecchi anni affinato come nessun altro tecniche che consentono di domare e intrappolare atomi dai nomi esotici – atomi altamente magnetici, come l’erbio e il disprosio – in “gabbie” le cui sbarre sono fatte di luce laser e in cui la temperatura si misura in microkelvin.

È nel gelo assoluto di queste trappole quantistiche che possiamo incontrare quanto di più simile esista sulla Terra a una stella di neutroni. Ed è lì che abbiamo raggiunto la ricercatrice veneziana (è originaria del comune di Spinea) Elena Poli, prima autrice di uno studio – pubblicato due settimane fa su Physical Review Letters e realizzato in collaborazione tra il gruppo teorico di Francesca Ferlaino, qui a Innsbruck, e in Italia quello di Massimo Mannarelli ai Laboratori nazionali del Gran Sasso (Infn) – che, attraverso simulazioni numeriche, è riuscito a riprodurre l’enigmatico fenomeno delle glitches.

Elena Poli, cosa ci fa una stella di neutroni – seppur simulata – in un centro di fisica quantistica come il vostro?

«Una stella di neutroni è un oggetto che ha una massa comparabile a quella del Sole ma confinata in un raggio di circa 10 km, la grandezza media di una città. Quindi ha la proprietà di essere un oggetto molto denso. Per capirci, la densità della parte interna della stella di neutroni è oltre cento miliardi di volte più grande di quella dell’acqua, e cresce sempre più man mano che ci si addentra verso l’interno. Oltre a questo, la temperatura di una stella di neutroni è tipicamente dell’ordine di grandezza di dieci milioni di gradi – una temperatura enorme, certo, ma molto più piccola di quella tipica della materia nucleare. Per questi due motivi – altissima densità e bassa temperatura – la stella di neutroni può essere considerata come un sistema in cui gli effetti quantistici non sono trascurabili. E il fatto che nel nostro lavoro riusciamo a replicarne la fenomenologia delle glitches con un sistema quantistico di atomi ultrafreddi ne è la prova».

Ecco, le glitches, queste irregolarità nella loro velocità di rotazione: sapete cosa le produce?

«Le stelle di neutroni si presentano come oggetti rotanti che emettono radiazione, e per questo decelerano la loro velocità di rotazione nel tempo. Ogni tanto però accelerano improvvisamente, originando – appunto – una glitch, e si crede che tutto ciò sia dovuto alla dinamica interna di piccoli vortici quantizzati. Questi vortici sono dei piccoli tornado che contengono tutti la stessa quantità di momento angolare e si formano ogni volta che un oggetto con proprietà superfluide – nel caso delle stelle di neutroni, la crosta interna – viene messo in rotazione. I piccoli vortici, durante il processo di decelerazione, sono principalmente intrappolati dalla struttura cristallina della crosta interna, fino a quando il sistema raggiunge un punto in cui deve per forza espellere l’energia in più. E lo fa emettendo i vortici, il cui momento angolare viene assorbito dalla crosta esterna. La crosta esterna assorbe questo momento angolare proveniente dall’interno della stella e, per questo, aumenta la velocità di rotazione: da qui nasce la glitch che misuriamo dalla Terra».

Crosta interna, crosta esterna… Com’è fatta, una stella di neutroni? Cosa incontreremmo, se potessimo atterrarci sopra e scendere al suo interno?

«Le teorie più accreditate descrivono la struttura interna della stella di neutroni come una serie di diversi strati che hanno proprietà strutturali estremamente diverse. L’atmosfera esterna è fatta principalmente da idrogeno, elio e carbonio, ma è uno strato molto piccolo. Lo strato esterno della stella di neutroni viene chiamato crosta esterna ed è di natura solida: è costituito da un reticolo di nuclei pesanti di diversi elementi ricchi di neutroni disposti in maniera regolare. Mano a mano che ci addentriamo all’interno della stella, i nuclei si addensano sempre di più, fino a quando i neutroni iniziano a uscire dai rispettivi nuclei e formano un unico fluido che mantiene la stessa struttura cristallina dei nuclei ma allo stesso tempo ha proprietà superfluide – ovvero, scorre senza attrito. La regione in cui lo incontriamo è chiamata crosta interna, manifesta le proprietà di un solido e quelle di un superfluido allo stesso momento. Sembra uno stato paradossale, ma queste sono le stesse proprietà che negli ultimi anni sono state osservate in laboratorio in un sistema quantistico di atomi ultrafreddi, chiamato appunto supersolido. Infine, procedendo ancora più verso l’interno della stella, troviamo il suo nucleo, dove incontriamo materia ancora più densa la cui composizione è perlopiù sconosciuta».

Anche nel vostro laboratorio avete visto un supersolido?

«Sì, qui ad Innsbruck, nel gruppo di Francesca Ferlaino, siamo stati tra i primi a osservare questo nuovo stato della materia in laboratorio. Ed è proprio grazie all’analogia tra la struttura della crosta interna della stella di neutroni e del supersolido ultrafreddo che, nel nostro lavoro, siamo riusciti a riprodurre in quest’ultimo il fenomeno delle glitches: delle improvvise accelerazioni della stella di neutroni che si crede siano dovute a dinamiche nella crosta interna. Anche un supersolido ultrafreddo, infatti, quando viene messo in rotazione – essendo superfluido – crea i vortici, e questi vortici – essendo solido – sono intrappolati nella sua struttura cristallina. Nel nostro lavoro, implementando un processo di decelerazione, siamo riusciti a simulare il fenomeno delle glitches anche in un supersolido ultrafreddo».

Come in una stella di neutroni…

«Sì, in questo modo abbiamo trovato un sistema analogo alla crosta interna delle stelle di neutroni. Un sistema che è accessibile sulla Terra e può essere usato come laboratorio per studiarne la dinamica. Quindi, attraverso lo studio del comportamento rotatorio di un supersolido fatto di atomi ultrafreddi, e grazie alla possibilità di replicare il fenomeno delle glitches in questo sistema, abbiamo certificato alcune teorie di natura astrofisica sulla rotazione delle stelle di neutroni».

Per saperne di più:

• Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Glitches in rotating supersolids”, di Elena Poli, Thomas Bland, Samuel J. M. White, Manfred J. Mark, Francesca Ferlaino, Silvia Trabucco e Massimo Mannarelli

 

Licenza per il riutilizzo del testo: CC BY-NC-SA 4.0 DEED https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.it

Articolo pubblicato su media.inaf.it, nelle sezioni  ASTRONOMIA, FISICA, NEWS il 14/11/2023

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Direttore responsabile: Marco Malaspina
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ISSN 2724-2641