A research lasting one hundred years and the beginning of a new exploration of the Universe

Marica Branchesi


Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab

Una ricerca durata cent’anni e l’inizio di una nuova esplorazione dell’Universo

Buchi neri e stelle di neutroni visti attraverso le onde gravitazionali

1 Cosa sappiamo oggi dei sistemi binari di buchi neri di massa stellare?

Due campagne osservative dei rivelatori avanzati di onde gravitazionali avvenute nel 2015-2016 e 2016-2017 hanno permesso la scoperta di 10 coalescenze di buchi neri. Attraverso queste osservazioni, oggi sappiamo che i buchi neri vivono in sistemi binari, si fondono nel tempo di Hubble e sono frequenti nell’Universo locale (da dieci a cento per anno in un volume Gigaparsec cubo). Inaspettatamente le onde gravitazionali hanno mostrato che ci sono anche buchi neri pesanti (> 25 masse di sole). Questi buchi neri si possono formare dall’evoluzione stellare ma solo da stelle massicce a bassa metallicità. Le masse dei buchi neri osservati coprono un intervallo di masse che va da circa 7 a 50 masse di sole. Il più pesante sistema di buchi neri (GW170729, osservato il 29 luglio 2017) è anche il più distante, il suo segnale è stato emesso 4,9 miliardi di anni fa. Tenendo conto del tasso di rilevamento previsto, le prossime campagne osservative saranno in grado di svelarci come si formano e si evolvono i buchi neri e il ruolo degli ambienti in cui si formano: se si formano principalmente da sistemi binari isolati nella galassia o se si formano in ambienti densi come quelli degli ammassi stellari, dove le interazioni a tre corpi diventano fondamentali. Per questo saranno preziose le informazioni sulla loro distribuzione di massa e su come ruotano rispetto al piano dell’orbita del sistema binario.

2 La rivoluzione di agosto 2017, e l’inizio di una nuova astronomia multi-messaggera

L’interferometro Virgo, a Cascina, entra in presa dati con gli interferometri LIGO il 1 agosto 2017 e gioca un ruolo chiave nell’inizio dell’astronomia multi-messaggera con le onde gravitazionali. Il 14 agosto ascolta il segnale della coalescenza di due buchi neri permettendo la localizzazione del segnale. Da centinaia-migliaia di gradi quadrati dei primi segnali da sistemi di buchi neri rivelati dai soli rivelatori LIGO, la triangolazione della rete LIGO e Virgo permette di passare a decine di gradi quadrati. Osservare migliaia di gradi quadrati è una sfida enorme per gli strumenti astronomici che hanno tipicamente campi di vista cento volte più piccoli. Migliorare la localizzazione permette di garantire una copertura uniforme e osservazioni astronomiche più profonde, aumentando significativamente la probabilità di osservare il segnale elettromagnetico dalla sorgente di onde gravitazionali. Esattamente tre giorni dopo, il 17 agosto 2017, il network LIGO e Virgo osserva un nuovo segnale, più lungo (quasi un minuto) rispetto ai segnali di pochi decimi di secondo originati dai buchi neri. I satelliti Fermi e INTEGRAL registrano un lampo gamma esattamente 1,7 secondi dopo il segnale di onde gravitazionali.

Siamo di fronte alla prima osservazione di onde gravitazionali emesse dalla coalescenza di stelle di neutroni, e il primo segnale con associata radiazione elettromagnetica di alta energia. Virgo risulta di nuovo fondamentale permettendo di localizzare il segnale in una posizione di soli 30 gradi quadrati. La distanza della sorgente astrofisica risulta piuttosto vicina, 40 Mpc, 130 milioni di anni luce da noi. La regione dove cercare altri fotoni dello spettro elettromagnetico corrisponde a un piccolo volume di Universo nel quale conosciamo le galassie. Circa cinquanta quelle da osservare e in una di queste galassie, NGC4993, dopo 11 ore viene rivelato dal telescopio ottico Swope in Cile un oggetto molto brillante (centinaia di milioni di volte la luminosità del Sole) non presente in immagini precedenti alla coalescenza. NGC4993 si trova alla stessa distanza del segnale di onde gravitazionali. Da quel momento 70 osservatori, coinvolgendo più di 100 strumenti, telescopi a terra e satelliti, hanno osservato NGC4993 per mesi. L’emissione ottica ha mostrato un oggetto in rapidissimo raffreddamento, inizialmente un’emissione blu in rapida diminuzione, e un’evoluzione verso il rosso e l’infrarosso in una settimana. Dalla stessa posizione in cielo nove giorni dopo è stato rivelato un segnale nella banda X e sedici giorni dopo un segnale radio.

3 Cosa sappiamo oggi dei sistemi binari di stelle di neutroni?

I colori osservati dall’ultravioletto all’infrarosso hanno dimostrato (come previsto dalla teoria) che durante la coalescenza di due stelle di neutroni la massa lanciata ad altissima velocità nel mezzo interstellare è il sito ideale per la formazione degli elementi pesanti per cattura rapida dei neutroni. Mentre il decadimento radioattivo di tali elementi determina l’emissione visibile osservata (chiamata kilonova, vedi fig. 1), l’Universo si arricchisce degli elementi più pesanti del ferro, compreso l’oro. Nonostante le coalescenze di due stelle di neutroni siano eventi rarissimi, nella nostra galassia possono accadere una decina-centinaia di volte ogni milione di anni, GW170817 ha mostrato che la quantità di elementi pesanti che si possono formare è sufficiente a spiegare l’abbondanza di elementi pesanti osservata nell’Universo locale. Ad esempio, per l’oro si valuta che sia formata una quantità pari a circa 100 Terre. I nostri gioielli provengono con un’alta probabilità dalla coalescenza di due stelle di neutroni avvenuta miliardi di anni fa nella nostra galassia che ha disperso elementi pesanti nel mezzo interstellare da cui si sono formati stelle e sistemi planetari.

Il piccolissimo ritardo di 1,7 secondi tra il segnale di onde gravitazionali e il lampo di raggi gamma (Gamma Ray Burst, GRB) ha confermato, ancora una volta, che Albert Einsten aveva ragione: le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce, come i fotoni. È stata inoltre la prima evidenza osservativa e conferma che i progenitori dei lampi di raggi gamma corti (la cui durata è inferiore a 2 secondi) sono rappresentati dalla coalescenza delle stelle di neutroni, dopo quasi cinquant’anni dalla loro scoperta da parte di satelliti militari che monitoravano i test nucleari sulla Terra. La fusione delle due stelle di neutroni è in grado di lanciare nello spazio interstellare un getto di energia e materia a una velocità prossima a quella della luce. I segnali gamma, X e radio osservati sono stati inizialmente interpretati come emissione di un GRB osservato ad angoli più grandi rispetto al getto di emissione. Tuttavia, inaspettatamente, le osservazioni hanno mostrato per mesi un aumento lento del flusso nella banda radio, ottico e X fino a un appiattimento a circa 4 mesi e mezzo, seguito da un declino. Questo ha escluso il modello di getto uniforme (considerato standard per i GRB), lasciando due possibili scenari: quello di getto strutturato con un cuore centrale relativistico ma una componente via via più lenta ai bordi, o un’esplosione quasi sferica provocata da un getto che non sarebbe riuscito a emergere depositando energia nella materia espulsa durante la fusione. Solo le osservazioni ad alta risoluzione radio fatte con Very Long Baseline Interferometry (VLBI) circa un anno dopo la fusione e che hanno coinvolto trentadue antenne radio sparse su cinque continenti, hanno svelato l’arcano mostrando moti superluminali e permettendo di misurare la piccolissima dimensione della sorgente radio, incompatibili con l’esplosione sferica.

Possiamo oggi dire che la GW170817 rappresenta la prima osservazione di un GRB fuori asse (vedi fig. 2), emissione teorizzata da circa due decadi ma mai osservata prima, fornendo dettagli sulla natura dei getti relativistici.

La nuova astrofisica multi-messaggera consente di sondare la materia nucleare sotto condizioni di estrema densità. GW170817 ha infatti permesso di studiare la natura delle stelle di neutroni. Le proprietà dell’onda gravitazionale, così come la brillanza della kilonova e del GRB, sono direttamente legate alla loro deformabilità, alla massa eiettata, all’oggetto (buco nero o stella di neutroni) nato dalla loro fusione. Proprietà, queste ultime, direttamente dipendenti dall’equazione di stato che governa queste stelle. Osservazioni simili a GW170817 permetteranno quindi di capire qual è l’equazione di stato delle stelle di neutroni che lega in modo univoco il raggio alla loro massa.

GW170817 ha anche segnato l’inizio della cosmologia con le onde gravitazionali. È stata misurata (con grandi incertezze) la costante di Hubble, ossia la velocità di espansione dell’Universo, combinando la misura della velocità di recessione della galassia ospite, NGC4993, e la distanza delle stelle di neutroni misurata dal segnale stesso di onde gravitazionali. Cosmologia di precisione sarà già possibile con campioni di decine di eventi simili a GW170817.

4 Prospettive per l’astronomia delle onde gravitazionali

GW170817 segna la nascita dell’astronomia multimessaggera che utilizza onde gravitazionali ed emissione elettromagnetica. Ha mostrato come combinando i messaggeri si possa avere una fotografia completa delle sorgenti astrofisiche e la loro interazione con l’ambiente. GW170817 ha avuto forti implicazioni su diversi campi dell’astrofisica e della fisica fondamentale, dalla astrofisica relativistica, alla fisica nucleare, nucleosintesi e cosmologia. Sono stati confermati modelli teorici decennali e nello stesso tempo la ricchezza di dati ha aperto nuovi enigmi (per esempio, cosa si è formato dalla fusione delle due stelle di neutroni, un buco nero o una stella di neutroni?) che richiederanno nei prossimi anni un sforzo teorico e altre osservazioni per essere interpretati.

I rivelatori di onde gravitazionali sono oggi in grado di osservare milioni di galassie; questo ci dà la possibilità di osservare eventi rarissimi ma cruciali per comprendere i fenomeni più energetici dell’Universo. Abbiamo ora una rete di osservatori in grado di dare una posizione più precisa che permette a satelliti e telescopi tradizionali di catturare il possibile segnale elettromagnetico emesso dalla sorgente astrofisica delle onde gravitazionali. Verrà via via aumentata la sensibilità dei rivelatori arrivando a sensibilità maggiori di almeno un fattore 2 rispetto a quella dell’attuale rete, un fattore 10 in volume. Questo permetterà di osservare più segnali di coalescenze di stelle di neutroni e buchi neri, e possibilmente osservare nuovi segnali come la coalescenza di sistemi stella di neutroni-buco nero, il collasso gravitazionale di stelle massive nella nostra galassia o nei dintorni, l’emissione continua da pulsar e il segnale stocastico. Si sta già lavorando ai progetti per nuovi rivelatori, come l’Einstein Telescope che permetterà di aumentare di un fattore 10 la sensibilità rispetto agli Advanced detector come LIGO e Virgo, raggiungendo tutto l’Universo. Questo permetterà di osservare molti più eventi e osservarli meglio. Si potrà studiare l’evoluzione cosmologica delle sorgenti gravitazionali lungo la storia cosmologica dell’Universo, studiare le popolazioni di sorgenti astrofisiche e la loro evoluzione, fare cosmologia di precisione. Il più alto rapporto segnale-rumore per eventi osservabili anche da LIGO e Virgo permetterà studi dettagliati per comprendere la struttura delle stelle di neutroni e possibili deviazioni dalla relatività generale.

Osservatori nello spazio come LISA apriranno la banda a basse frequenze dai millihertz a 0,1 hertz, con la possibilità di osservare la coalescenza di buchi neri più massivi che risiedono al centro delle galassie e di osservarli fino all’epoca della loro formazione. Si potrà comprendere come si siano formate le galassie nell’Universo e come si siano evolute.

Conclusione

Le scoperte della recente astronomia delle onde gravitazionali sono il risultato di scienziati pionieri che hanno lavorato per anni a esperimenti tecnologici di frontiera (quando ancora le rivelazioni erano lontane ed erano considerate impossibili), avvenute grazie all’unione di competenze diverse (dalla fisica fondamentale all’astronomia, dalle osservazioni all’analisi dei dati e alla teoria), alle tante scienziate e scienziati del mondo che hanno unito le loro menti. Ora più che mai è evidente l’importanza che le diverse comunità scientifiche collaborino per superare sfide tecnologiche, osservative e teoriche con il fine di espandere la nostra conoscenza del cosmo. Questo è solo l’inizio. Siamo pronti per nuove osservazioni e scoperte. Ora abbiamo strumenti in grado di osservare ciò che prima era invisibile e nei prossimi decenni sono previsti nuovi osservatori più sensibili e in grado di osservare altre frequenze dello spettro di onde gravitazionali.