20

14 —

20

17

Fig. 1 — La navicella spaziale XMM-Newton dell’Agenzia spaziale europea (ESA), un osservatorio spaziale per raggi X.Immagine da: Spacecraft Icons at NASA Science

Fig. 3 — Collasso del nucleo di una supernova: affascinanti fuochi d’artificio cosmici. Immagine da una simulazione 3-D di collasso del nucleo di una supernova. In figura è mostrata l’entropia per barione all’inizio dell’esplosione per i 1000 km più interni della supernova. Immagine da: K. Ebinger, O. Heinimann, M. Liebendörfer

Fig. 2 — Esplosione di raggi gamma e magnetar. Le esplosioni di raggi gamma sono gli eventi più violenti dell’universo. Oggi sappiamo che le esplosioni di raggi gamma di lunga durata sono associate alla morte di stelle massive mentre quelle di corta durata sono associate all’unione di vecchi oggetti compatti (Stelle di Neutroni e/o buchi neri). Interpretazione artistica di una supernova e relativa esplosione di raggi gamma generata da un magnetar, una stella di neutroni con un campomagnetico molto forte, in rapida rotazione.Immagine da: ESO (http://www.eso.org/public/images/eso1527a/)

entropy [kB/baryon] tPB = 500ms

x (km)

y (k

m)

0 100 200 300 400

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

22.5

-300 -200 -100

Il passato recente ha visto sostanziali progressi nella nostra comprensio-ne dell’astrofisica degli oggetti compatti, grazie alla possibilità di impiegare nuovi telescopi e osservatori spaziali. L’apporto di questi strumenti è stato cruciale nella comprensione delle stelle compatte.. In aggiunta, strumen-ti progettati (per esempio, FAST il più grande radiotelescopio al mondo a singolo piatto, LOFT con la sua nuova modellizzazione della forma d’onda e SKA con la sua elevata sensibilità) forniranno una ricchezza di informazioni sulle stelle compatte senza precedenti.

Attraverso la stretta collaborazione con gruppi teorici e osservativi, questa Azione ha sviluppato un approccio onnicomprensivo alle diverse manifesta-zioni delle stelle compatte, prendendo contributi dalla microfisica e dalla modellizzazione teorica dello spazio-tempo.

L’obiettivo finale dell’Azione è stato quello di unire i vari risultati, parzialmen-te contraddittori, in un approccio che usa osservazioni nel radio, nei raggi X e nei raggi gamma e confrontarli con le predizioni teoriche (per esempio simulazioni idrodinamiche e magnetoidrodinamiche di stelle di neutroni, modelli di glitch per le pulsar, processi di emissione, modelli atmosferici e magnetosferici, simulazioni di supernova ) e le loro implicazioni (attraverso la sintesi della popolazione delle stelle di neutroni).

2

Le stelle compatte, come le stelle di neutroni, stelle strane o ibride, sono laboratori unici che ci permettono di sondare i mattoni che costituiscono la materia e le loro interazioni in regimi che i laboratori terrestri non possono esplorare. Questi oggetti eccezionali hanno già portato a scoperte rivoluzio-narie in fisica nucleare, subnucleare, QCD, relatività generale e astrofisica delle alte energie.

La nuova generazione di osservatori e rivelatori di onde gravitazionali conti-nuerà a offrire scoperte innovative e fondamentali, complementari a quelle ottenute grazie ai laboratori per la fisica nucleare e subnucleare sperimentale.

L’azione MPNS COST MP1304 Esplorando la fisica fondamentale con le stelle compatte (NewCompStar) ha messo insieme i maggiori esperti in astrofisica, fisica nucleare e fisica gravitazionale per affrontare questa af-fascinante, ma impegnativa, area di ricerca attraverso un approccio interdi-sciplinare. Oltre ad un’agenda di ricerca innovativa e ben definita, la rete ha fornito un programma di formazione specifico per una nuova generazione di scienziati con ampie competenze e capacità, orientate anche verso il trasferimento del sapere e l’ innovazione.

1.

Le stelle compatte e l’osservazione di processi astrofisici ad esse legati forniscono vincoli stringenti sulle proprietà della materia adronica calda e densa, come l’equazione di stato, la superfluidità, i coefficienti di trasporto e i parametri di elasticità. Per studiare la materia fortemente interagente in condizioni estreme è necessario riunire esperti di QCD a bassa energia e esperti in teorie a molti corpi. Infatti uno dei principali problemi teorici è che la teoria che descrive l’interazione e la dinamica dei quarks e dei gluoni cioè la QCD è non perturbativa nel regime di interes-se per le stelle compatte. In più, gli effetti a molti corpi, come il pairing o il comportamento collettivo, rendono il diagramma di fase della materia adronica molto ricco e allo stesso tempo complesso da descrivere.

La relazione tra esperimenti di fisica nucleare e la fisica delle stelle com-patte non è diretta ma la nuova sinergia tra esperimenti di fisica nucleare e osservazioni astronomiche delle stelle compatte, che è stata al cuore dell’Azione, avrà un impatto su tutta la modellizzazione teorica delle stelle compatte.

Fig. 4 — Di cosa sono fatte le stelle di neutroni? Alcune delle predizioni teoriche della materia presente dentro lestelle di neutroni. Immagine da: F. Weber

Fig. 5 — Quanto è complessa la crosta delle stelle di neutroni? La crosta interna è formata da un reticolo di agglomerati con forme esotiche chiamati fasi di “pasta” immersi in un fluido di neutroni e elettroni relativistici. Queste fasi della pasta nucleare hanno forme che vanno da raggruppamenti sferici a barre, lastre, tubi e bolle di materia nucleare. La ricerca di alcune conferme osservative di queste fasi è stata una delle sfide dell’Azione.mmagine da: H. Pais e J. Stone

STELLA DI NEUTRONI STELLA DI NEUTRONI

STELLA DI NEUTRONI

CON CONDENSATO PIONICO

TRADIZIONALEIBRIDA CON QUARK

STEL

LA C

ON IP

ERON

I

STELLA STRANA

STELLA DI NEUTRONI CON CONDENSATO KAONICO

N + e + n n superfluido

N + e

crosta

protoni superconduttori

n, p, e, µ

materia di quark strana superconduttrice di colore(u, d, s quarks)

2SCCSL

gCFLLOFF

CFL CFL − K+

CFL − K0

CFL − π0

K −

u, d, s quarks

2SCCFL

n, p, e, µ

π −

H

Fe

Atmosfera di idrogeno/He

106 g/cm3

1011 g/cm3

1014 g/cm3

R ≈ 10km

3

2.

I forti campi gravitazionali prodotti dalle stelle di neutroni le rendono sorgenti di onde gravitazionali potenzialmente rilevabili, sia come elementi di sistemi binari che come sorgenti individuali prodotte da un collasso di nucleo di supernova, quando le stelle collassano a buco nero o subiscono qualsiasi tipo di oscillazione non sferica. Infatti la fase di spiraleggiamento e coalescenza di un sistema binario di stelle di neutroni (sia come sistema di due stelle di neutroni o considerando la presenza di un buco nero) sono candidati per la rilevazione di onde gravitazionali dai rivela-tori della rete LIGO/Virgo. La loro osservazione offrirà importanti informazioni sul campo gravitazionale forte, sull’equazione di sta-to e sull’origine delle esplosioni di raggi gamma di corta durata.

La fusione di sistemi binari di stelle di neutroni emette onde gra-vitazionali che dipendono dalla massa, dal rapporto tra le masse e dall’equazione di stato. La modellizzazione numerica della for-ma d’onda emessa è essenziale per una proficua rivelazione delle onde gravitazionali.

Fig. 7 — Fusione di un sistema binario di stelle di neutroni. E’ mostrata la densità di massa a riposo e le linee di campo magne-tico al momento della fusione. Immagine da: FIAS/GU/AEI

Fig. 8 — Forme d’onda predette dalla fusione di sistemi binari di stelle di neutroni. Colori diversi si riferiscono a diverse equazioni di stato mentre colonne differenti a masse differenti delle binarie. Image Credit: FIAS/GU/AEI

4

LA RETE

29 paesi hanno partecipato a NewCompStar e, in aggiunta, quattro istituzioni di due paesi come Istituzioni di paesi Vicini e tre istituzioni come Istituzioni di paesi partner internazionali.

PARTECIPANTI A COSTAustria, Belgio, Bulgaria, Croazia, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Islanda, Irlanda, Italia, Malta, Olanda, Norvegia, Polonia, Portogallo, Romania, Serbia, Slovacchia, Slovenia, Spagna, Svezia, Svizzera, Turchia, Regno Unito..

ISTITUZIONI DI PAESI VICINI A COSTIOFFE, JINR Dubna, MEPhI, Sternberg Astronomical Institute and Yerevan State University

Istituzioni di paesi partner internazionali di COSTMonash University,University of Melbourne and Kent State University

Azione COST NewCompstarL. Rezzolla (Presidente), P. Pizzochero (Vice presidente)

Comitato direttivoG. Barnafoldi, F. Burgio, M. Chernyakova, V. Ferrari, J. A. Font, I. Jones, P. Haensel, P. Pizzochero, C. Providência, M. Oertel, N. Rea, L. Rezzolla, A. Sedrakian, I. Vidaña

https://compstar.uni-frankfurt.de

Foto di copertina da X-ray: NASA/CXC/SAO; Optical: NASA/STScI; Infrared: NASA/JPL/Caltech; Radio: NSF/NRAO/VLA; Ultraviolet: ESA/XMM-Newton

Stampato presso Estúdio Gráfico 21, Portugal 2017Graphic design & Typeface by Bürocratik

COST Association AISBLAvenue Louise 149, 1050 Brussels, BelgiumT +32 (0)2 533 3800, F +32 (0)2 533 3890office@cost.eu, www.cost.eu

COST is supported by

the EU Framework Programme Horizon 2020

3.h+

x 10

22 (5

0M

pc)

t (ms)

H4GNH3 ALF2 SLy APR4

M =

120

0M

OM

= 1

225

MO

M =

125

0M

OM

= 1

275

MO

M =

13

00

MO

M =

13

25

MO

M =

13

50

MO

−5 0 5 10 15 20−5 0 5 10 15 20−5 0 5 10 15 20−5 0 5 10 15 20−5 0 5 10 15 20

4

2

0

−2

−4

4

2

0

−2

−4

4

2

0

−2

−4

4

2

0

−2

−4

4

2

0

−2

−4

4

2

0

−2

−4

4

2

0

−2

−4

Fig. 6 — I dati di LIGO mostrano il “cinguettio” prodotto dallo spi-raleggiamento di due stelle di neutroni. Immagine da: LIGO

GW170817

9 14

lg(rho)[g/cm3]