Forse abbiamo osservato per la prima volta la fusione di una stella di neutroni e un buco nero?4 min di lettura

Prima di tutto, un riassunto velocissimo per chi si fosse perso le precedenti puntate sulle onde gravitazionali.

Nel 2016 ci fu lo storico annuncio della prima osservazione diretta (avvenuta il 14 settembre 2015) delle onde gravitazionali prodotte dalla collisione di due buchi neri, grazie agli interferometri americani LIGO.

L’anno dopo, nell’agosto del 2017, anche l’interferometro italiano Virgo riuscì a beccare le sue prime onde gravitazionali da due buchi neri e, qualche giorno dopo mancò di poco (ma fu addirittura un bene) le prime onde gravitazionali dovute alla collisione di due stelle di neutroni.

Tutto questo avvenne nella fase cosiddetta O2, alla fine della quale il catalogo di onde gravitazionali conteneva ben 11 segnali confermati.

E con questo siamo arrivati a fine 2018, due anni molto intensi furono i primi dell’astronomia delle onde gravitazionali.

Ora siamo nella fase O3, che va durerà per quasi tutto il 2019 con LIGO e Virgo e per il 2020 con l’accensione di KAGRA, l’interferometro giapponese che si aggiungerà alle osservazioni.

Ma nel frattempo, questo 2019 come sta andando?

Un elenco aggiornato di continuo di tutti i segnali osservati finora da LIGO lo trovate a questo link. Alla data di pubblicazione di questo post i segnali da analizzare da questa fase O3 sono 23; come vedete alcuni sono segnati RETRACTED, cioè ritirati perché di evidente origine terrestre. Dei 23 segnali, ancora nessuno è stato confermato: sono tutti sotto analisi.

Tuttavia, in pochi mesi (O3 è iniziata ad aprile 2019) già LIGO e Virgo hanno già beccato il doppio dei segnali osservati in due anni durante O1 e O2. Questa è la prima notizia grossa. Il motivo? Sì sta studiando l’universo più lontano, quindi un volume più grande di spazio, per questo aumentano gli eventi.

Se guardate la lista sul sito di LIGO potete vedere che nella seconda colonna c’è una percentuale che esprime la probabilità del tipo di sorgente del segnale. Per esempio, BBH sta per collisione tra due buchi neri, terrestrial sta per segnale di origine terrestre, BNS sta per collisione tra due stelle di neutroni. E fin qua, tutto OK.

Poi ci sono due sigle nuove, di cui sentiremo (speriamo) molto parlare in futuro e per questo ne vorrei discutere (mi piace pensare che chi legge Quantizzando sia già avanti – scherzo, in realtà non importa).

La sigla BHNS sta per scontro tra un buco nero e una stella di neutroni: questa eventualità non è ancora mai stata osservata finora nelle fasi O1 e O2. In realtà, tra un buco nero e una stella di neutroni non dovremmo avere un vero e proprio scontro (per questo ho usato il corsivo prima), piuttosto una fusione drammatica; il buco nero piuttosto dovrebbe succhiare il gas dalla stella di neutroni mana mano che i due oggetti si avvicinano l’un l’altro ed emettono onde gravitazionali.

Eppure, nella lista di segnali di LIGO e Virgo della fase O3 c’è un candidato, con una probabilità anche piuttosto alta (maggiore del 99%) di essere causato da un evento BHNS: è il segnale S190814bv, osservato il 14 agosto 2019.

Parliamo un attimo del segnale S190814bv.

Partiamo dalle basi: è se fosse un falso allarme? Come sempre, c’è questa eventualità e c’è anche sempre un numero che esprime questa possibilità. In questo caso, la possibilità di osservare con LIGO un segnale come S190814bv non dovuto alle onde gravitazionali è di 1 su 10 milioni di miliardi di miliardi di anni. Insomma, possiamo essere abbastanza certi che non si tratta di un falso allarme.

All’inizio, cioè il 14 agosto, i primi dati del candidato-segnale S190814bv suggerivano che fossimo in quello che si chiama mass gap: che vuol dire?

Analisi di LIGO di S190814bv del 14 agosto 2019

Il punto è che, a oggi, non sappiamo rispondere a una domanda: qual è la minima massa che può avere un buco nero? E quale la massima massa di una stella di neutroni? Cioè, c’è una zona poco chiara nell’intervallo di masse che separa stelle di neutroni e buchi neri. Questa zona, tra le 3 e le 5 masse solari, in gergo è chiamata mass gap.

Piccola nota storica: il mass gap

La storia del mass gap risale al 1998; lo studio della distribuzione in massa di alcuni buchi neri in sistemi binari dove sono emessi raggi X (a causa delle alte temperature del gas circostante) mostrava una differenza – segnata da un vuoto, cioè un gap – con la distribuzione della massa delle stelle di neutroni.

Stelle di neutroni e buchi neri si formano entrambi quando una stella con una massa maggiore di 8 masse solari collassa (quando questo accade si ha una supernova). Ora, i buchi neri in realtà si formano solo quando una stella ha una massa almeno 20 volte quella del Sole, ma insomma il confine non è netto. Per questo motivo, avere un gap nelle due distribuzioni di massa è una caratteristica interessante, qualora fosse davvero così.

Infatti, magari il mass gap suggerisce che ci sia qualche meccanismo da capire meglio per quanto riguarda le supernovae, oppure potrebbe essere semplicemente (si fa per dire) un effetto sbagliato di selezione dei buchi neri e delle stelle di neutroni quando si ricavano le loro distribuzioni di massa.

Per esempio, come riporta su Twitter l’astrofisico Christopher Berry, in alcuni casi qualcuno suggerisce che le masse dei buchi neri non siano state stimate bene e che quindi non è proprio così sicuro che ci sia questo mass gap. E non solo: uno studio del 2019 addirittura mostra che non esiste proprio alcun mass gap.

Ma torniamo al segnale S190814bv

Nel frattempo però, il 15 agosto è arrivato un aggiornamento dei dati: niente mass gap, piuttosto S190814bv dovrebbe essere una fusione tra una stella di neutroni e un buco nero. Come mai questo aggiornamento? È presto detto: all’inizio gli algoritmi di LIGO e Virgo hanno il solo scopo di beccare il segnale tra tutto quello che osservano gli interferometri; solo in un secondo momento è svolta un’analisi più raffinata in cui nei modelli sono fatte variare le possibili masse degli oggetti coinvolti. Ecco perché si è passati dalla zona del mass gap al 99% alla fusione tra buco nero e stella di neutroni al 99%.

Analisi di LIGO di S190814bv del 15 agosto 2019

Questo vuol dire che l’oggetto più leggero dovrebbe avere una massa minore di 3 masse solari, visto che non siamo più nel mass gap. Però, di solito noi ci aspettiamo stelle di neutroni avere al massimo una massa pari a circa 2,5 masse solari, quindi c’è il rischio di essere di fronte a un’eccezione. Ma del resto, questa è la prima volta che ci troviamo di fronte a un possibile segnale tra un buco nero e una stella di neutroni, quindi ci tocca portare pazienza e aspettare futuri aggiornamenti da parte di LIGO e Virgo.

Nel frattempo però, visto che in S190814bv dovrebbe essere coinvolta una stella di neutroni, si prova anche a vedere se ci sono segnali luminosi dalla sorgente del segnale; si cerca cioè quella che si chiama la controparte elettromagnetica (EM counterpart). Finora non è stato beccato niente, ma le indicazioni per i telescopi ottici (raggi gamma, raggi X) sono molto precise. Anche in questo caso, armiamoci di pazienza e aspettiamo nuovi dati.

La zona circoscritta in cui pensiamo sia la sorgente del segnale S190814 è indicata dai due piccli cerchi rossi a destra vicino -30°.

Quindi, ricapitolando: potremmo essere di fronte alla prima osservazione diretta di onde gravitazionali dalla fusione di un buco nero e una stella di neutroni. I prossimi mesi saranno cruciali non solo per sciogliere tutti i dubbi ma anche per provare a beccare la galassia di origine dell’evento osservato (se si riesce).

Vi terrò aggiornati qui, su Quantizzando.


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