Quando si dice “scontro tra titani”: la collaborazione Virgo, Ligo e Kagra ha appena annunciato la prima, inequivocabile, osservazione della fusione fra una stella di neutroni e un buco nero. Non uno, ma ben due eventi nell’arco di dieci giorni hanno rotto la lunga attesa: l’interferometro Virgo, installato in provincia di Pisa, e i due rivelatori Ligo Livingston e Hanford, negli Stati Uniti, hanno rilevato due segnali di onde gravitazionali– il 5 e il 15 gennaio 2020 – attribuibili a un evento di coalescenza fra un buco nero e una stella di neutroni, ora fusi in un unico oggetto compatto noto come Nsbh, dall’inglese Neutron star black hole. La scoperta è pubblicata su The Astrophysical Journal Letters.
I segnali di onde gravitazionali che eravamo riusciti a rivelare fino a questo momento riguardavano coppie di buchi neri o coppie di stelle di neutroni, ma mai un buco nero e una stella di neutroni (la coppia che gli astrofisici chiamano “binaria mancante”, proprio perché a lungo teorizzata e mai osservata sperimentalmente). Due segnali gravitazionali misurati nel 2019 (Gw190814 e Gw190426) erano stati considerati candidati Nsbh, ma il livello di confidenza delle misure era insufficiente per poter affermare con certezza che lo fossero.
I due sistemi che le hanno generate
I segnali gravitazionali rilevati nel gennaio 2020 – chiamati Gw 200105 e Gw 00115, in relazione alla data di osservazione – hanno molto da raccontare. Nel caso di Gw 200105, osservato da Ligo Livingston e da Virgo, il buco nero e la stella di neutroni avevano, rispettivamente, circa 8.9 volte e 1.9 volte la massa del Sole. Le onde gravitazionali, che viaggiano alla velocità della luce, hanno impiegato circa 900 milioni di anni per raggiungere il nostro pianeta. Il sistema che ha generato l’evento Gw 200115 – rilevato questa volta da entrambi gli interferometri Ligo e da Virgo – era formato invece da due oggetti compatti un po’ più piccoli dei precedenti, di 5.7 masse solari il buco nero e 1.5 masse solari la stella di neutroni. La loro fusione è appena precedente, quasi 1 miliardo di anni fa.
Segnali elettromagnetici?
Diversamente dalla fusione di due buchi neri, la fusione fra due stelle di neutroni e quella fra una stella di neutroni e un buco nero genera anche fotoni. Quando gli interferometri rivelano una deformazione dello spazio-tempo attribuibile a eventi di questo tipo, quindi, telescopi di tutto il mondo e di tutte le frequenze puntano i loro occhi nella direzione dell’evento in cerca di un segnale luminoso. È quella che gli astronomi chiamano astronomia multimessaggera, una nuova branca nata proprio con la scoperta delle onde gravitazionali che ha rivoluzionato il modo di indagare fenomeni celesti complessi e potenziato incredibilmente la conoscenza che deriva da questi.
Anche nel caso dei due eventi Nsbh gli astronomi si sono messi alla ricerca di un segnale elettromagnetico che accompagnasse le onde gravitazionali – segnale che però non è mai arrivato. Il problema, in questo caso, è attribuibile alla differenza di massa fra i due oggetti. Il buco nero – che vantava una massa molto maggiore rispetto alla compagna – ha consumato il suo pasto in un sol boccone, non lasciando tempo alle forze mareali di distruggere lentamente la materia generando bagliori di luce.
Come comincia la storia tra stella di neutroni e un buco nero
Ora che la collezione dei sistemi binari è completa, gli scienziati stanno cercando di sfruttare al meglio il potenziale dei dati raccolti non solo per comprendere le dinamiche fisiche della fine di questi sistemi, ma anche quali fenomeni li abbiano originati. Come abbia inizio la convivenza fra una stella di neutroni e un buco nero, infatti, non è cosa nota. Sono due gli scenari teorici ipotizzati per la loro formazione. Il primo è che si tratti di “sistemi binari isolati”, in cui le due stelle sono da sempre in orbita l’una intorno all’altra e alla fine della loro vita, dopo essere esplose come supernove, riescono a rimanere legate nelle vesti di buco nero e stella di neutroni. L’altra possibilità è che si incontrino al termine della propria vita, formandosi separatamente come stella di neutroni e buco nero, e comincino subito la loro ultima danza gravitazionale. Si parla in questo caso di “interazione dinamica”, ed è probabile che essa abbia luogo in ambienti stellari densi, come gli ammassi globulari, gli ammassi giovani o anche i dischi di accrescimento dei nuclei galattici attivi.
Entrambi questi scenari si traducono in previsioni osservative che riguardano, per esempio, l’orientamento della rotazione dei due oggetti compatti rispetto ai moti orbitali (in gergo, lo spin) o, più in generale, il numero di coppie Nsbh che si fondono nell’Universo in un dato periodo di tempo. Considerando queste prime due rivelazioni come unici eventi Nsbh rilevati durante tutti i cicli di osservazione di Ligo e Virgo, il tasso di fusione calcolato entro un miliardo di anni luce dalla Terra è fra 5 e 15 all’anno. Questa stima, se combinata ai valori di spin misurati e confrontata con la teoria, sembra essere coerente sia con l’evoluzione binaria isolata che con l’interazione dinamica negli ammassi stellari giovani o nei nuclei galattici attivi e lascia il problema ancora aperto.
“La scoperta annunciata oggi è un’ulteriore gemma nel tesoro del 3rd LIGO-Virgo observing run”, dice Giovanni Losurdo, portavoce di Virgo e ricercatore Infn. “Ligo e Virgo continuano a svelare collisioni catastrofiche, mai osservate prima, gettando luce su un paesaggio cosmico davvero nuovo. Ora stiamo aggiornando i rilevatori con l’obiettivo di guardare molto più lontano nelle profondità del cosmo, alla ricerca di nuove gemme, alla ricerca di una comprensione più profonda dell’universo in cui viviamo”.
Riferimenti: The Astrophysical Journal Letters
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