Onde gravitazionali e lampi gamma da stelle di neutroni

Sono state osservate, per la prima volta nella storia, le onde gravitazionali emesse durante una collisione di due stelle di neutroni. Ma non solo: allo stesso tempo sono stati osservati raggi gamma provenienti dalla stessa regione di universo. È la prima volta che vediamo l’immagine ottica di un fenomeno di cui abbiamo osservato le onde gravitazionali.

L’evento è stato osservato il 17 agosto 2017, da cui il nome del segnale è GW170817.

Praticamente, avere entrambe le informazioni gravitazionali ed elettromagnetiche è come poter accedere al racconto della stessa storia dal punto di vista di due personaggi importanti di un film, cioè l’unico modo per capirci davvero qualcosa della trama (prima di arrivare al colpo di scena finale).

E infatti questa scoperta è qualcosa che cambia radicalmente il nostro modo di osservare l’universo. Ora abbiamo tra le mani evidenze su cose su cui prima ragionavamo solo teoricamente: possiamo dire, con ragionevole certezza, che un certo tipo di emissione di raggi gamma nell’universo è associato alla collisione di stelle di neutroni. Un altro tassello che ci fa capire meglio come funziona l’universo.

Ma ora vediamo tutto con calma.

LIGO, Virgo: le onde gravitazionali

GW170817 è il quinto evento di osservazione delle onde gravitazionali. È stato osservato sia dagli interferometri americani LIGO sia da quello italiano Virgo (per un ripasso sulle onde gravitazionali, leggete qui).

GW170817 è un segnale di onde gravitazionali emesse dalla collisione di due stelle di neutroni.

Le onde gravitazionali dovute alla collisione di due stelle di neutroni generano un segnale che può durare anche un minuto, a differenza dei buchi neri per cui invece dura solo qualche secondo. Infatti due stelle di neutroni impiegano più tempo, rispetto a due buchi neri, a orbitare l’una sull’altra prima di dar luogo alla collisione. Questo perché il campo gravitazionale di due stelle di neutroni è meno di intenso di quello generato da due buchi neri.

Grazie alla teoria della relatività possiamo produrre dei segnali teorici che poi vengono confrontati con quelli effettivamente osservati. Questo è stato fatto anche nel caso di GW170817 e possiamo dire che si tratta davvero di una collisione di stelle di neutroni. Se non vi ricordate cos’è una stella di neutroni, andate qui.

I dati ci dicono che il segnale è stato generato a 130 milioni di anni luce di distanza da noi. Questo è un dato cruciale: infatti il segnale prodotto dalla collisione di stelle di neutroni è più debole di quello prodotto da buchi neri. Quindi la vicinanza ha sicuramente agevolato l’osservazione delle onde gravitazionali.

E poi: i lampi di raggi gamma

Quando due stelle di neutroni collidono non producono solo onde gravitazionali ma anche quella che si chiama kilonova. Una kilonova è una violenta esplosione, più violenta di una supernova, in cui dovrebbero essere emesse radiazioni elettromagnetiche molto energetiche, come per esempio i raggi gamma.

Per questo, una volta osservato GW170817, LIGO e Virgo hanno subito dato il segnale a tutti i telescopi del mondo di puntare in direzione della regione di provenienza delle onde gravitazionali. Alla fine, i telescopi spaziali NASA Fermi e ESA INTEGRAL hanno beccato un segnale di raggi gamma, tipico sintomo proprio di una kilonova, proprio da quella regione di universo.

Si tratta della prima osservazione di una kilonova. Sia il segnale delle onde gravitazionali GW170817 sia il segnale di raggi gamma sembrano provenire entrambi dalla stessa galassia NGC 4993, a 130 milioni di anni luce da noi. Questa è un’ulteriore conferma, qualora ce ne fosse stato bisogno, del fatto che abbiamo osservato le onde gravitazionali di un fenomeno realmente avvenuto nell’universo.

Questo video mostra l’esatta localizzazione del punto dello spazio in cui è avvenuto il fenomeno.

Piccola nota: se non ci fosse stato Virgo, sarebbe stato molto più difficile localizzare la regione di cielo in cui puntare i telescopi ottici. Di questa cosa ne abbiamo già parlato su Quantizzando qui.

Che cosa sono i lampi (brevi) di raggi gamma

I raggi gamma non sono altro che onde elettromagnetiche (come la luce, le onde radio, i raggi-
X) con una lunghezza d’onda molto piccola, cosa che li rende molto energetici. Per fortuna la nostra
atmosfera scherma i raggi gamma, per cui l’unico modo per poterli osservare è andare nello spazio.

Gli astrofisici ritengono che le collisioni tra stelle di neutroni, cioè le kilonovae, possano spiegare di un certo tipo di lampi di raggi gamma, più famosi in inglese come Gamma Ray Bursts (d’ora in poi li chiamerò GRB). I telescopi che abbiamo inviato nello spazio hanno osservato parecchi GRB, più di mille.

Come si originano questi GRB? Sappiamo che finora i GRB sono stati tutti osservati al di fuori della nostra Galassia; sappiamo anche i GRB possono essere di due tipi, di lunga o di breve durata, dove i due regimi sono classificati a seconda se un GRB si prolunghi, rispettivamente, per più o meno di una decina di secondi.

Quelli che interessano a noi sono i GRB brevi; questi dovrebbero avere luogo, quando due stelle di neutroni collidono (oppure se a collidere sono una stella di neutroni e un buco nero).

Ricapitolando: abbiamo osservato GW170817 e abbiamo capito che si tratta di collisione di stelle di neutroni. Poi abbiamo beccato un lampo di raggi gamma dalla stessa regione di spazio. Quindi abbiamo osservato lampi di raggi gamma dalla collisione di due stelle di neutroni, cioè una kilonova.

Con la sola osservazione dei lampi di raggi gamma non l’avremmo mai capito; le onde gravitazionali ci hanno aperto una finestra su fenomeni per i quali finora facevamo solo speculazioni teoriche riguardo la loro origine.

Osservare una kilonova

Non solo GRB. Una kilonova è un processo per il quale viene emessa luce anche ad altre frequenze. Dopo l’osservazione delle onde gravitazionali e dopo l’osservazione dei raggi gamma, circa altri 70 osservatori astronomici (tra cui anche il telescopio spaziale Hubble) hanno osservato il fenomeno associato alla kilonova che ha generato GW170817.

Il video qui sotto mostra l’emissione della kilonova nei 12 giorni seguenti alla collisione delle stelle di neutroni. Come vedete, il segnale luminoso è via via diminuito con il passare del tempo e inoltre ha anche cambiato colore, nel senso che ha cambiato frequenza.

Lo studio della luce della kilonova associata a GW170817 ha mostrato anche la presenza di un sacco di materiali che conosciamo molto bene, come per esempio l’oro e il platino. Infatti, le alte energie in gioco durante un evento di kilonova permettono la formazione di elementi atomici pesanti. Questi elementi, cioè l’oro e il platino, vengono poi letteralmente sparati nello spazio a velocità pazzesche.

In questo modo l’oro arriva a distanze molto lontane dal luogo in cui si è originato. È molto probabile che l’oro dei gioielli che avete regalato al vostro partner si sia generato proprio dalla collisione di due stelle di neutroni.

Tra l’altro, questo conferma anche un meccanismo che gli astrofisici finora avevano solo teorizzato. Le stelle di neutroni, infatti, sono fatte di neutroni. Durante la collisione che genera la kilonova, elementi tipicamente più pesanti del ferro iniziano a catturare neutroni. Normalmente un neutrone libero subito decade trasformandosi nella coppia protone ed elettrone. Tuttavia, nel caso di una kilonova, questi nuclei atomici pesanti vengono letteralmente bombardati da una marea di neutroni; praticamente non c’è tempo per i neutroni di decadere e questo porta alla formazione di elementi atomici ancora più pesanti, tipo l’oro e il platino appunto.

Cosa vuol dire questa scoperta per il futuro?

Ora abbiamo tra le mani qualcosa di davvero importante. Per anni, abbiamo studiato l’universo solo attraverso la luce. Tutto ciò è stato una miniera di informazioni incredibile e ci ha fatto scoprire parecchie cose su come funziona l’universo.

Adesso possiamo accedere anche a un altro tipo di informazione che completa le conoscenze che avevamo già a disposizione.

Da oggi in poi possiamo studiare le kilonovae, la struttura delle stelle di neutroni e i lampi di raggi gamma in una maniera mai fatta prima.

Le osservazioni future di nuove onde gravitazionali da stelle di neutroni ci aiuteranno a capire ancora meglio il fenomeno dei lampi di raggi gamma e quando avremo raccolto abbastanza dati potremo anche costruire uno studio statistico interessante. Nel frattempo, nei prossimi anni nuovi interferometri verranno fuori: LIGO verrà potenziato, per esempio, ed entro il 2034 un interferometro chiamato LISA verrà costruito addirittura nello spazio. Sicuramente, poi, ora l’astronomia a raggi gamma prenderà slancio da questa straordinaria scoperta. Al momento nello spazio ci sono i telescopi della NASA Fermi e Swift e quello dell’ESA INTEGRAL.

L’astrofisica ha fatto un passo in avanti enorme con questa scoperta. C’è ancora molto da capire, ma da oggi l’universo ha un segreto in meno. E tutto grazie alle onde gravitazionali, la scoperta astrofisica (per ora) più importante di questo secolo.

 

Per saperne di più

Press release sul sito dell’ESO (dove trovate anche i link a tutti i paper scientifici ufficiali, se volete darci un’occhiata)

  • Donato Colangelo

    Fantastica notizia e articolo scritto divinamente. Questo dovrebbe convincere anche i più scettici della validità degli investimenti nelle scienze naturali in generale. Siamo fortunati a vivere in un periodo della storia in cui si susseguono scoperte così importanti e così straordinarie. Non possiamo fare altro che sbarrare gli occhi e contemplare la grandezza dell’universo in cui viviamo.

    • Grazie Donato, sono felice ti sia piaciuto l’articolo. Purtroppo la questione degli investimenti nella scienza è essenzialmente una questione politica. Con tutti gli svantaggi che ciò comporta.

      • Donato Colangelo

        Figurati! Scrivi bene e per quanto mi è parso di notare riporti informazioni corrette. In un web invaso di blog e di informazioni inaffidabili, questa è una spiaggia sicura se continui così. Poi ho spulciato ed ho scoperto che oltre ad essere un ragazzo del sud (come me, io dalla Basilicata), hai studiato all’estero. Sei uno degli esempi di perseveranza e di eccellenza di cui questo paese di scappati di casa dovrebbe andare fiero e su cui dovrebbe puntare. Bravo. Cercherò in tutti i modi di amplificare la portata dei tuoi post sui social.

  • juhan

    Una domanda forse troppo facile o troppo insensata: considerando (sorry)
    le onde gravitazionali con l’analogia di quelle prodotte da un sasso
    nello stagno c’è qualcosa che le smorza o arrivano fino al confine
    dell’Universo (ahemmm)?
    Poi, sempre peggio: LIGO e Virgo sono appena entrati in funzione; è
    stata fortuna o ci sono collisioni come all’autoscontro?

    • Sandro Ciarlariello

      La domanda non è né facile né insensata. La materia smorza le onde gravitazionali, sebbene l’effetto sia trascurabile (link tosto: https://arxiv.org/abs/1707.05192#). Per quanto riguarda LIGO e Virgo più che questione di fortuna è una questione di sensibilità. In realtà entrambi esistono da diversi anni; ultimamente hanno ulteriormente migliorato la loro sensibilità, cosa che ha permesso di osservare le onde gravitazionali (le quali sono fatte così come sono fatte). Il tasso di collisioni, però, è qualcosa che verrà stimato sempre in maniera migliore man mano che vengono raccolti i dati. Cioè: ci sta di osservare le onde gravitazionali con LIGO e Virgo in questa configurazione, ma quanto spesso è un qualcosa da misurare per bene con l’aumentare del volume di dati raccolti.
      Comunque, sempre ottime domande e vorrei rassicurarti: il post sulle teorie di gravità modificata è sempre in bozza, sono solo arrivate notizie, diciamo così, più urgenti, che lo hanno bloccato.

    • Donato Colangelo

      Dirò un’altra sciocchezza, ma potrebbe essere l’universo in espansione a “smorzare” le onde gravitazionali? Un po’ come succede per il red-shift di stelle e galassie lontane?

      • Scusate il ritardo. Dunque, le onde gravitazionali possono ricevere un’attenuazione dalla materia che c’è tra la sorgente delle onde e i nostri LIGO e Virgo. Per saperne di più, leggete qui: https://arxiv.org/abs/1707.05192#

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