Le simulazioni fluidodinamiche potrebbero rivelare i segreti della materia nucleare densa
All’interno di una stella di neutroni, la gravità comprime la materia a densità maggiori di quelle tipiche di un nucleo atomico, creando un terreno fertile per sondare la nuova fisica oltre il modello standard. Densità così estreme non possono essere misurate sperimentalmente. Così, quando l’Universo ha offerto una mano, gli astronomi hanno colto l’occasione e nel 2017, l’Osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali (LIGO) in collaborazione con Virgo ha raccolto onde gravitazionali da una spirale di stella di neutroni binaria a 140 milioni di anni luce dalla Terra.
Deformazioni di marea nelle superfici delle stelle di neutroni
Mentre le due stelle di neutroni orbitano l’una intorno all’altra, irradiando energia sotto forma di onde gravitazionali, esse sollevano anche distorsioni di marea l’una sull’altra. Lasciando una chiara impronta sulle onde gravitazionali emesse, queste hanno rivelato informazioni uniche sull’esotico interno delle stelle di neutroni. Utilizzando un’equazione di stato (EdS), gli astronomi possono descrivere matematicamente come la struttura interna di una stella di neutroni reagisce ai cambiamenti di densità e pressione. «Le stelle di neutroni binarie sono come i collisionatori di scala astrofisica, permettendo agli astronomi di sondare fenomeni fisici impossibili da replicare nei collisionatori di particelle terrestri e, soprattutto, forze nucleari forti che sono governate dalla cromodinamica quantistica», osserva Ulrich Sperhake, coordinatore del progetto ACFD, finanziato dall’UE. Questa teoria determina l’EdS nelle parti interne delle stelle di neutroni, dove la densità della materia può essere 10 volte superiore a quella della materia nucleare ordinaria. Un’EdS dura, dove la pressione aumenta rapidamente con la densità, produce stelle con grossi raggi ed effetti di marea sulla forma d’onda a spirale. Inoltre, le stelle altamente deformabili girano più rapidamente verso il reciproco infausto destino. «Misurare con alta precisione la deformazione della stella di neutroni causata dalle forze di marea ci permetterebbe di vincolare rigidamente l’EdS e di realizzare le potenzialità di scoperte rivoluzionarie del LIGO per quanto riguarda la materia estremamente densa», spiega il dottor Charalampos Markakis. Il team del progetto ha condotto simulazioni numeriche per stimare i parametri EdS della stella di neutroni a partire dalle osservazioni delle onde gravitazionali. Ha confermato che le transizioni di fase (per esempio, i neutroni che si dissolvono in strani quark) nel nucleo conducono a EdS sensibilmente più morbide. «Misurare gli effetti delle maree di diverse spirali di stelle di neutroni con osservatori di seconda e terza generazione di onde gravitazionali ci permetterà di misurare le loro EdS», aggiunge Markakis.
Teoremi matematici che lasciano la loro impronta sulle onde gravitazionali
Utilizzando il teorema di Kelvin sulla circolazione e il suo corollario, il terzo teorema di Helmholtz, gli scienziati hanno ulteriormente sondato il comportamento della materia a densità estreme. Hanno dimostrato che entrambi i teoremi sono validi durante una spirale di stella di neutroni binaria. Un nuovo schema di smorzamento dei vincoli, basato sulla fluidodinamica hamiltoniana, può preservare queste leggi durante le simulazioni al supercomputer. Hanno anche notato che l’hamiltoniana è quasi costante per i binari su orbite circolari. Ciò potrebbe facilitare i fisici nell’estrazione di modelli di onde gravitazionali ad alta precisione. «È meraviglioso che i teoremi matematici che caratterizzano i flussi altamente relativistici delle stelle di neutroni nello spazio-tempo curvo siano impressi sulle onde gravitazionali che rileviamo qui sulla Terra, anche se distano 140 milioni di anni luce», racconta con entusiasmo Markakis.
Un passo avanti verso la soluzione di un problema irrisolto
ACFD ha trovato un promettente rimedio all’annoso problema delle equazioni di Eulero-Einstein che si rompono quando i fluidi (materia densa) si interfacciano con il vuoto. In termini matematici, questa decomposizione provoca una perdita di convergenza puntiforme nelle simulazioni sulle spirali di stelle di neutroni binarie. La ricerca del progetto mirava a esplorare matematicamente e computazionalmente come la natura operi a livelli in cui la comprensione attuale si sgretola. Le simulazioni fluidodinamiche possono rivelare di più sullo stato elusivo della materia nei nuclei delle stelle di neutroni.
