Lo studio dei sistemi di stelle di neutroni potrebbe dirci molto sull’universo. Tuttavia, trovare questi oggetti lontani ed estrarre i dati rappresenta una sfida. Per questo, un progetto finanziato dall’UE, ha sviluppato modelli innovativi basati sulle onde gravitazionali, che sono già valsi un prestigioso premio a un ricercatore.


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Il progetto BNSmergers ha cercato di rispondere advertisement alcune domande fondamentali dell’astrofisica moderna concentrandosi sulla composizione interna delle stelle di neutroni. Le stelle di neutroni sono gli oggetti più compatti del nostro universo, il che significa che concentrano masse molto elevate in un quantity molto ridotto.

«La densità all’interno del nucleo di una stella di neutroni raggiunge addirittura i a hundred milioni di tonnellate per centimetro cubo», spiega il coordinatore del progetto Chris Van Den Broeck dell’Istituto Nazionale di Fisica Subatomica (Nikhef) dei Paesi Bassi. «Questo li rende “laboratori” ideali per gli ambienti di materia estrema, soprattutto quando because of stelle di neutroni si fondono, formando un sistema binario di stelle di neutroni. Il risultato è una densità ancora più elevata di quella all’interno di una singola stella».

Per studiare i sistemi binari di stelle di neutroni, gli astrofisici devono prima trovarli. L’astronomia delle onde gravitazionali, che arrive suggerisce il nome utilizza le onde gravitazionali per raccogliere dati su oggetti lontani, offre agli astrofisici l’opportunità di rilevare e osservare sistemi binari di stelle di neutroni arrive mai prima d’ora.

«Questo lavoro si basa su una comprensione dettagliata dei processi di fusione», spiega Van Den Broeck. «Questo di solito può essere fatto solo con modelli teorici altamente sofisticati che descrivono le onde gravitazionali e i segnali elettromagnetici che vengono rilasciati durante e dopo la fusione. Lo sviluppo di tali modelli per stelle di neutroni binarie generiche era l’obiettivo chiave di BNSmergers».

Analizzare le onde gravitazionali

Il progetto, intrapreso con il supporto del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, finanziato dall’UE, si basa su recenti scoperte che hanno trasformato l’astronomia. Il primo rilevamento diretto di onde gravitazionali dalla collisione di because of buchi neri è avvenuto solo nel 2015, mentre la prima osservazione combinata di onde gravitazionali ed elettromagnetiche di una fusione di una stella di neutroni binaria risale al 2017.

«La modellizzazione della materia advertisement alta densità rimane comunque tra i problemi più impegnativi della fisica teorica», aggiunge Tim Dietrich, borsista Marie Skłodowska-Curie presso il Nikhef, nei Paesi Bassi. «L’esecuzione anche di una singola simulazione su un supercomputer può durare settimane o mesi».

Per risolvere questo problema, Dietrich e i suoi colleghi sono riusciti a sviluppare un nuovo quadro analitico, basato su centinaia di simulazioni computazionali raccolte. In questo modo gli astrofisici possono lavorare molto più velocemente che con le simulazioni di relatività numerica esistenti. «L’approssimazione è inoltre abbastanza accurata da poter essere impiegata direttamente per analizzare i segnali delle onde gravitazionali», aggiunge Dietrich.

Database alle stelle

Questi risultati potrebbero aiutare gli astrofisici a svelare alcuni dei segreti dell’universo. «Siamo riusciti a migliorare i modelli di onde gravitazionali esistenti che vengono utilizzati per descrivere i segnali elettromagnetici connessi alle fusioni di stelle di neutroni binarie», spiega Dietrich.

«Questo ha portato a nuove informazioni sulle proprietà delle stelle di neutroni, sullo stato della materia al loro interno e persino sul tasso di espansione dell’universo. Questi modelli aprono anche alla possibilità di studiare oggetti compatti più esotici, arrive le stelle composte solo da materia oscura. Sebbene si tratti di scenari generalmente più speculativi, sono necessari investimenti teorici per escludere o confermare la loro esistenza».

Dietrich ha ricevuto recentemente il prestigioso premio Heinz Billing per il progresso del calcolo scientifico per il suo lavoro sul progetto BNSmergers. Il premio viene assegnato ogni two anni dalla Max Planck Culture in Germania per contributi eccezionali nella fisica computazionale. «Il fatto che io abbia ricevuto il premio Heinz Billing per il progresso del calcolo scientifico per il mio lavoro sulla relatività numerica è un’ulteriore prova della crescente importanza dell’astronomia delle onde gravitazionali», osserva Dietrich.

Il progetto ha anche portato al primo database di onde gravitazionali per sistemi binari di stelle di neutroni. Le simulazioni del progetto, insieme alle simulazioni effettuate prima del suo inizio, sono condition messe a disposizione del pubblico. Già numerosi scienziati hanno fatto uso di questa risorsa per sostenere le loro ricerche sulle stelle di neutroni. «Speriamo che in questo modo l’intera comunità scientifica possa beneficiare del nostro lavoro degli ultimi anni», conclude Van Den Broeck.