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Un'onda "di luce": fusione di stelle di neutroni

Concezione artistica di una fusione di stelle di neutroni. Credit: Robin Dienel courtesy of the Carnegie Institution for Science.

Concezione artistica di una fusione di stelle di neutroni. Credit: Robin Dienel courtesy of the Carnegie Institution for Science.

La notizia è stata annunciata il 16 ottobre 2017 ma a una attenta analisi di quanto accaduto negli ultimi due mesi era perfettamente prevedibile. L'articolo pubblicato su Nature dal titolo "A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source" dice tutto e apre una nuova porta sulla conoscenza dell'universo poiché per la prima volta è stato possibile osservare uno stesso fenomeno da un punto di vista gravitazionale, tramite un'onda, e da un punto di vista elettromagnetico. E' la prima volta che una onda gravitazionale rivela la sua controparte elettromagnetica, dando il via alla cosiddetta astronomia "multimessage", basata non più soltanto sui fotoni (e su qualche neutrino) ma anche sulla gravità, data dalle onde.

Il luogo dell'evento è la snobbata galassia NGC 4993 nell'Idra, galassia che il 17 agosto 2017 alle ore 14.41.04 italiane ha ospitato un Gamma Ray Burst. Da quel giorno la galassia è stata il centro dell'universo, osservata a tutte le lunghezze d'onda dai maggiori telescopi spaziali e da strumenti di spettroscopia "terrestre" come Fors2 del VLT ma soprattutto XShooter, montato anch'esso sul Very Large Telescope di ESO a Paranal, in Cile. L'interesse immediato è nato dal fatto che, nello stesso momento, i laser di Virgo e di LIGO hanno vibrato nello stesso modo, a mostrare il passaggio di un'onda gravitazionale. Si aggiungono Agile, Swift, il piccolo telescopio Swope a Las Campanas e il Rapid Eye Mount di La Silla. Curioso il caso di Swope, visto che la notizia dell'onda è giunta quando era giorno e che la zona da riprendere sarebbe tramontata molto presto, regalando al team soltanto un'ora per le immagini ottiche. Già la prima onda era stata accompagnata da un lampo gamma che, però, fu ricondotto a una clamorosa coincidenza ma stavolta si è voluto indagare e le osservazioni hanno consentito di rivelare quanto accaduto. E, soprattutto, dove. Un oggetto brillante che prima non era presente e che è stato battezzato SSS17a: un oggetto luminoso come una supernova la cui luce, però, calava molto più rapidamente rispetto a una supernova.

SSS17a ripresa dal telescopio Swope. Credit Tony Piro

SSS17a ripresa dal telescopio Swope. Credit Tony Piro

Notevole anche l'apporto di Swift, puntato verso la sorgente appena 16 minuti dopo la segnalazione dell'onda gravitazionale e in grado di osservare una rapida diminuzione nella radiazione ultravioletta emessa.  

A 130 milioni di anni luce di distanza, nella anonima galassia NGC 4993, due stelle di neutroni si sono fuse in un processo che viene chiamato coalescenza. Due stelle che erano quanto rimaneva di due stelle di grande massa, con massi tra 8 e 10 volte quella del Sole e legate gravitazionalmente a costituire un sistema binario. Le prime osservazioni sono dovute a un team del Carnegie Institution for Science a Las Campanas, in Cilie. La reciproca orbita intorno al comune baricentro fa sì che l'energia cinetica venga trasformata in gravitazionale e che le stelle di neutroni tendano sempre più ad avvicinarsi fino a essere talmente vicine da rilasciare una potente energia gravitazionale, captata dagli interferometri sulla Terra. Le due stelle si fondono a formare un oggetto ancora più esotico, con rilascio di onde gravitazionali ma anche (non trattandosi di buchi neri, stavolta) di radiazione a ogni frequenza, dalle onde gamma a quelle radio. Il lampo gamma è stato battezzato GRB 170817A e ha "consigliato" gli astronomi a puntare verso la zona prima il VLT, poi ALMA e poi gli strumenti orbitanti come Chandra (19 agosto) e Hubble (22 agosto). Soprattutto Chandra ha consentito di far aumentare la curiosità visto che la procedura prevede il suo impiego soltanto in presenza di onde gravitazionali legate probabilmente a controparti ottiche. E' soprattutto per questo che la notizia abbiamo iniziato ad anticiparla un mese fa. non di certo per voci di corridoio ma solo perché gli indizi erano evidenti.

NGC 4993 con l'oggetto derivante dalla fusione di stelle di neutroni. Credit: Image credits: Left, Hubble/STScI; Right, 1M2H Team/UC Santa Cruz & Carnegie Observatories/Ryan Foley

NGC 4993 con l'oggetto derivante dalla fusione di stelle di neutroni. Credit: Image credits: Left, Hubble/STScI; Right, 1M2H Team/UC Santa Cruz & Carnegie Observatories/Ryan Foley  

A favore della scoperta ha giocato senz'altro la vicinanza della galassia NGC 4993, che ha consentito di osservare una zona di cielo particolarmente ridotta in termini di galassie possibili (parliamo comunque di un'area grande più di cento volte la Luna piena), spazzando il campo alla ricerca di un afterglow (radiazione decrescente dopo il "boom") degno di meritare una operazione di follow-up (analisi spettroscopiche per comprendere la natura dell'evento). E sempre la vicinanza ha consentito di ottenere spettri nitidissimi. 

Il Gamma Ray Burst è stato osservato dal telescopio spaziale Fermi in un tempo quasi concomitante (una differenza di 1.7 secondi tra onda e GRB) alla detection dell'onda gravitazionale, ma il dato essenziale è che la sorgente è stata osservata fin dall'inizio, fin da quando appena terminata la fusione i fotoni sono ancora racchiusi nella piccola regione di spazio e l'unica cosa che si può osservare è la fotosfera che emette come corpo nero. Da questo momento in poi l'energia potenziale inizia a trasformarsi in cinetica tramite l'espansione dell'oggetto creato, che diventa via via più trasparente e consente ai fotoni di uscire. Gli spettri hanno evidenziato una velocità di espansione intorno al 30% della velocità della luce. La maggior trasparenza consente di osservare gli strati interni, le righe di assorbimento che cambiano, si evolvono a indicare gli elementi chimici che questo fenomeno, una kilonova, va a creare. Elementi pesanti, pesantissimi come il selenio, l'ittrio, il rutenio per arrivare a oro, planito e uranio. 

Oggi ancora ci si chiedeva se i Gamma Ray Burst potessero derivare dalla fusione di corpi compatti: la risposta è ovviamente si, e oggi è certa.

Che l'astronomia 2.0 abbia inizio.

Le prove di Relatività

La connessione tra stelle di neutroni e raggi gamma è stata identificata per la prima volta nel 1986 da astrofisici di Princeton e molte delle scoperte annunciate vanno a confermare le previsioni trentennali che furono avanzate. L'articolo del 1986 a firma di Bohdan Paczynski e Keremy Goodman parlava infatti di gamma ray burst a partire dalla collisione di stelle di neutroni. Si teorizzò inoltre che fenomeni simili possono verificarsi a distanze tali da subire l'influenza dell'espansione dell'universo. L'articolo fu recepito come interessante ma alla fine non venne preso molto in considerazione dagli scienziati dell'epoca, come spesso accade. 

Eppure nel 1974 ci fu la scoperta del primo sistema binario di stelle di neutroni, con la coppia separata da appena mezzo milione di miglia e con un'orbita reciproca perfezionata in 7,75 ore. Nel 1981 lo stesso sistema fu studiato ancora meglio, giungendo alla conclusione che il periodo di rivoluzione era in diminuzione e le stelle di neutroni si stavano avvicinando l'un l'altra. Einstein aveva già predetto questo fenomeno con conseguente perdita di energia rotazionale e emissione di onde gravitazionali. La coppia (binaria di Hulse-Taylor), per inciso, impiegherà ancora trecento milioni di anni prima di collidere. La collisione che ha portato all'astronomia multimessage testimonia anche la bontà delle osservazioni dell'epoca. 

Può sembrare in realtà strano che un sistema che perde energia veda le sue componenti aumentare la velocità con la quale orbitano intorno allo stesso baricentro, ma è proprio così. Nel caso della collisione del 17 agosto 2017 le due stelle, delle dimensioni di Roma e con masse pari ad almeno due masse solari, hanno finito con l'orbitarsi reciprocamente centinaia di volte al secondo, con una velocità pari a una frazione apprezzabile della velocità della luce, prima di collidere. 

Velocità gravitazionale, rappresentazione di fusione di stelle di neutroniGli elementi che vengono creati durante la fusione hanno molti più neutroni che protoni nel nucleo: non si può arrivare a questi elementi con lo stesso processo con il quale si arriva al ferro, ovvero aggiungendo un neutrone alla volta. Occorre aggiungere molti neutroni e molto velocemente (r-process). A lungo si è pensato che elementi simili fossero a totale discrezione delle esplosioni di supernovae ma le stelle di neutroni hanno molti più neutroni e se due di queste vanno a collidere è ragionevole attendersi un maggior numero di neutroni. E così si ottengono oro, uranio, europio ma anche piombo, platino e tanti altri elementi.

Altra conferma per Einstein viene dalla velocità della gravità: non si propaga istantaneamente come sosteneva Newton ma si muove alla velocità della luce rappresentando una costante dell'universo, proprio come la famosa "c" della luce. Senza onde gravitazionali non avremmo modo di misurare la velocità della gravità. Un team del CERN (Physical Review Letters, Ottobre 2017) ha combinato i dati delle prime tre detection delle onde gravitazionali consentendo una stima migliore dei confini nei quali stanziare la velocità della gravità ma è soltanto con l'astronomia multimessage che la stima si è fatta molto più precisa, attestando la velocità della gravità in un intorno molto piccolo rispetto alla velocità della luce, visto che per la prima volta un evento ha dato lo start a onde gravitazionali e a un burst elettromagnetico nello stesso momento. La differenza tra i due segnali è stata di pochissimi secondi in un viaggio di cento milioni di anni, quindi il nulla o quasi. In assenza di un segnale elettromagnetico una stima può essere data soltanto dai differenti tempi con i quali due interferometri captano l'onda gravitazionale da due posti diversi della Terra, ma si tratta di misure infinitesimali. 

Il fatto che le onde, gravitazionale e elettromagnetica, abbiano viaggiato insieme per così tanto tempo e con gli stessi tempi (più o meno, ma con differenza del tutto trascurabile) implica anche come l'energia oscura influenzi allo stesso modo le due tipologie di onde e come questa sia costante sia nello spazio sia nel tempo. 

Allo stesso tempo anche la presenza del gravitone, particella ancora misteriosa, resta in vita a condizione che il gravitone abbia una massa molto piccola. 

Rappresentazione del bozzolo a onde radio.Della fusione delle stelle di neutroni è rimasto un bozzolo, osservato in banda radio dal Very Large Array durante i tre mesi di osservazione successivi all'onda gravitazionale accompagnata da segnale elettromagnetico. Il buco nero che probabilmente è rimasto dalla fusione ha attratto il materiale presente ancora nei paraggi, non ancora scaraventato via dall'esplosione di kilonova, e questa attrazione ha generato un disco in rapida rotazione che a sua volta ha generato due getti relativistici in proiezione ortogonale. 

I getti non sono perfettamente allineati alla nostra linea di vista il che spiega come mai le emissioni radio e X non siano state osservate nello stesso istante della detection delle onde gravitazionali, ma più tardi. L'emissione delle bande, con il tempo, si è addirittura intensificata il che ha aperto una sorta di inchiesta per la comprensione del processo alla base e questo ha portato alla scoperta di un "bozzolo" (cocoon) in grado di frenare e disperdere l'energia dei getti. Non solo energie elevate, quindi, ma anche materia più lenta in grado di dar vita a segnali radio rilevabili, il che è fondamentale perché si tratta di una emissione più ampia e captabile anche laddove i getti energetici non siano collimati verso noi, ampliando le possibilità di astronomia multimessenger anche a energie inferiori. 

Oltre ad aver dato dimostrazione sulla formazione stellare massiccia, sui GRB, sulle stelle di neutroni e sulla produzione di elementi pesanti, le onde gravitazionali sono state anche impiegate per misurare l'età dell'universo da parte di 1314 astronomi di tutto il mondo. 

Conoscendo la distanza e la velocità di allontanamento della galassia ospite della fusione di stelle di neutroni (NGC 4993), gli scienziati hanno potuto misurare il tempo da quando l'espansione dell'universo ha avuto origine, tra 11.9 e 15.7 miliardi di anni fa, data l'incertezza attuale. 

L'età dell'universo derivata dal singolo evento è consistente con le stime basate su decenni di osservazioni e metodi statistici basati sulla radiazione cosmica di fondo e sul moto delle galassie. Soltanto la presenza di una onda associata a uno spettro visibile ha consentito questa misurazione. I due metodi classici, tra l'altro, differiscono tra di loro di un buon dieci percento e la causa potrebbe risiedere nel fatto che si misurano fenomeni risalenti a diverse epoche: il metodo di derivazione da onde gravitazionali potrebbe porre fine a questa discussione interna. 

Afterglow della fusione
 
Afterglow della fusione
 
Lo studio dell'afterglow della fusione delle stelle di neutroni è stato inosservabile in molte bande dello spettro elettromagnetico a causa della vicinanza al Sole ma le osservazioni radio hanno evidenziato una emissione molto più brillante e duratura di quanto ipotizzato e di quanto osservato finora, tanto da indurre gli scienziati a ricercare una spiegazione consistente in uno scenario molto più complesso del previsto. 
Generalmente si osserva un GRB breve, con getti brillanti per un determinato periodo prima di una caduta derivante dalla perdita di energia. Una spiegazione può risiedere nell'ambiente esterno: i getti possono aver scaldato resti gassosi posti esternamente a creare un guscio intorno ai getti, guscio in grado di emettere per molti mesi in banda X e radio. Una volta che l'oggetto è uscito dalla congiunzione eliaca, in effetti, Chandra ha riscontrato un incremento di luminosità in banda energetica. 

Una spinta a favore dell'aumento del numero di onde gravitazionali osservabili potrebbe venire dai buchi neri supermassicci che dominano i centri galattici. Dei test di simulazione hanno infatti mostrato come nel 10% dei casi un sistema binario riesca a non soccombere alla gravità del buco nero e quindi a non separarsi o spezzarsi. Laddove riesca a resistere, tuttavia, le orbite delle componenti del sistema binario vengono alterate in maniera significativa, allungate, il che va a velocizzare di un fattore 100 il processo di fusione tra le componenti stesse con conseguente emissione di onde gravitazionali

L'emissione ottica e infrarossa dell'evento si è affievolita nel giro di poche settimane mentre la radiazione più forte, quella X e gamma, è andata crescendo nel tempo fino a che il 29 dicembre 2017 il satellite XMM-Newton ha certificato la fine della crescita (dopo 135 giorni dall'evento). Dal raggiungimento del picco anche la radiazione più energetica ha iniziato a calare. Da cosa sia prodotta è ancora in dubbio ma desta stupore la debolezza del GRB associato all'evento registrato. La motivazione di tale debolezza potrebbe essere rintracciata nell'allineamento dei getti relativistici, non diretti verso di noi, oppure nel fatto che di getti non ce ne siano proprio e che l'emissione sia stata isotropa. 

Evento di fusione di stelle di neutroni, rappresentazione
 
Il buco nero risultante dalla fusione di stelle di neutroni potrebbe essere il meno massiccio mai individuato alla data della scoperta, secondo uno studio basato sull'analisi dei dati di Chandra X-Ray Observatory ottenuti per mesi dopo la detection delle onde gravitazionali. Il buco nero risultante ha una massa stimata in 2.7 masse solari il che crea un problema di identità tra la stella di neutroni più massiccia mai scoperta e, appunto, il buco meno massiccio mai scoperto (il record precedente è superiore a 4 masse solari). 
Se la risultante fosse una stella di neutroni molto massiccia, ci si attende un campo magnetico molto forte e una rotazione molto rapida da parte del corpo compatto il che dovrebbe creare una bolla in espansione di particelle altamente energetiche in grado di offrire una apprezzabile radiazione X. I livelli registrati da Chandra invece si rivelano centinaia di volte inferiori a quanto atteso in questo caso. Se questo non è, resta il buco nero e allora la ricetta per creare un oggetto di questo tipo si complica poiché richiede due supernovae in grado di lasciare due stelle di neutroni molto vicine, come quelle che si sono fuse. La radiazione X registrata da Chandra unitamente al Karl G. Jansky VLA sembra provenire interamente dall'onda d'urto derivante dalla fusione e dal suo effetto sul gas circostante mentre nessun segnale sembra provenire da una stella di neutroni. Ci sono due anni di tempo, secondo i modelli, in cui la presenza di una bolla in espansione dovrebbe rivelarsi in banda X ma se questo non accadrà allora, probabilmente, ci si troverà di fronte a un buco nero di massa molto limitata. Se invece ci sarà evidenza di una stella di neutroni, allora bisognerà rivedere i limiti imposti riguardanti massa e struttura di questi oggetti. 

Rappresentazione del gettoLa fusione delle stelle di neutroni è stata confermata, se ancora ce ne fosse bisogno, dopo 110 giorni dall'evento attraverso l'osservazione di un getto di materiale in uscita, ma per ottenere l'osservazione è stato necessario attendere che terminasse la congiunzione con il Sole. Dopo poche settimane, infatti, la zona di cielo che ha ospitato il segnale multimessenger si è nascosta dietro il bagliore del Sole per riemergere circa 100 giorni dopo, consentendo a Hubble Space Telescope di osservare il getto di luce ricercato (sebbene alcuni teorici sostenessero la presenza, invece, di un alone diffuso e non indirizzato), afterglow del breve Gamma Ray Burst visto cento giorni prima e alimentato dal decadimento radioattivo di elementi pesanti. Il getto viene espulso a una certa angolazione rispetto a noi ma si muove a una velocità prossima a quella della luce. Se il getto fosse stato indirizzato verso di noi avremmo osservato una sorgente gamma. 

Getti dalla fusione delle stelle di neutroni. Credit NRAO/AUI/NFSLe continue osservazioni di follow-up dell'evento hanno portato a tracciare variazioni avvenute nei getti prodotti dalla fusione delle stelle di neutroni. L'azione combinata del Karl Jansky Very Large Array (VLA) e del Green Bank Telescope ha evidenziato, a distanza di tempo, uno spostamento della emissione radio. La fusione dei due oggetti compatti, le cui masse sono stimate in 1.1 e 1.6 masse solari, ha determinato una spinta verso l'esterno di un guscio di detriti che si sono poi disposti a disco intorno al buco nero creato. Proprio il disco ha generato due getti di particelle che sono andati a interagire con i detriti creando una sorta di bozzolo prima di potersi liberare verso lo spazio interstellare. Il getto radio osservato potrebbe aumentare la validità dell'ipotizzato link tra fusione di stelle di neutroni e GRB, anche considerando che il GRB associato alle onde gravitazionali è stato tra i più deboli mai captati, puntando in un punto dello spazio non diretto verso la Terra ma inclinato di circa 20 gradi.

Sorgente infrarossa osservata da Spitzer. La luce proveniente dalla fusione di stelle di neutroni e che ha accompagnato GW170817 è prodotta dal decadimento radioattivo di nuclei atomici creati nell'evento stesso e questi atomi sono stati disposti in due gruppi. Il primo è formato da elementi leggeri e il secondo da elmenti pesanti, con la conseguenza che gli atomi del primo gruppo sono più veloci di quelli del secondo. 
Dieci giorni dopo la fusione, l'emissione ha raggiunto il picco infrarosso a 1300 Kelvin di temperatura prima di iniziare e continuare a raffreddarsi. La zona è stata osservata da Spitzer Space Telescope tramite la camera IRAC a infrarosso coprendo 3.9 ore di puntamento divise tra 43, 74 e 264 giorni dopo la fusione. La difficoltà maggiore risiede in una sorgente debole affiancata da una decisamente superiore ma attraverso un nuovo algoritmo si è riusciti a osservare chiaramente la sorgente della fusione in due diverse epoche, anche se quanto osservato si è mostrato due volte più debole del previsto, il che potrebbe essere legato alla trasformazione dell'ejecta in una fase di nebulosa.

A Settembre 2018 sembra arrivare la risposta, in termini di dati, alla ricerca di dimensioni ulteriori evidenziabili dal passaggio dell'onda gravitazionale multimessenger. La risposta è negativa e toglie pedine a favore delle teorie alternative alla Relatività generale. Teorie che non hanno bisogno di materia e energia oscure ma che al tempo stesso si appellano a ulteriori dimensioni anch'esse ipotetiche. Se le dimensioni esistessero, però, genererebbero delle inconsistenze gravitazionali e queste anomalie sarebbero evidenziate da un'onda gravitazionale più debole di quella registrata, che invece viene ben spiegata dalla Relatività. Per adesso, quindi, l'universo resta a quattro dimensioni.


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lanonna - 16/10/2017 23:35:52
Emozionante!

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