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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. 


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

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