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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 (se non si conta un evento per ora solo “candidato”) di osservazione delle onde gravitazionali. È stato osservato dagli interferometri americani LIGO (per un ripasso sulle onde gravitazionali, leggete qui) e non è stato osservato dall’interferometro italiano Virgo (sembra una cosa negativa ma in realtà poi vedremo che è stato utilissimo!).

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, gli scienziati di LIGO (ma anche quelli di 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.

Avevamo in sospeso il discorso di Virgo: l’interferometro italiano non ha registrato un chiaro segnale di GW170817; questo perché in quel momento Virgo si trovava orientato in modo sfavorevole rispetto alla sorgente del segnale. Tuttavia, questa situazione ha permesso di individuare con maggior precisione la sorgente; infatti poiché il segnale non era stato osservato da Virgo, allora si è cercata la sorgente nelle zone di cielo dove Virgo non poteva osservare in quel momento.

Insomma, anche senza osservare granché stavolta, 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)

Virgo ha osservato le onde gravitazionali

Il 14 agosto 2017 l’interferometro italiano Virgo, insieme agli interferometri di LIGO negli Stati Uniti, ha osservato per la prima volta il segnale delle onde gravitazionali causate dalla collisione tra due buchi neri.

L’annuncio è stato fatto il 27 settembre 2017 in una conferenza stampa durante il G7 dei ministri della scienza in Italia.

Virgo era entrato in azione il 1 agosto 2017 e si era unito a LIGO per la seconda finestra di osservazioni alla ricerca di onde gravitazionali. Il segnale trovato è stato chiamato GW170814, sulla falsa riga di tutti i segnali trovati finora (GW sta per gravitational wave e la sigla numerica richiama la data di osservazione).

L’articolo scientifico, con tutti i dettagli, lo trovate a questo link (tutte le immagini di questo post sono state prese dall’articolo in questione).
Ora provo a raccontarvi alcuni aspetti salienti dell’osservazione fatta da Virgo.

 Il segnale trovato da Virgo è stato più debole di quello misurato a distanza di millisecondi da LIGO.
Questa cosa non deve sorprendere: la sensibilità di osservazione delle onde gravitazionali di LIGO è maggiore rispetto a quella di Virgo a quasi tutte le frequenze (le onde gravitazionali sono onde e quindi hanno delle frequenze). Questa cosa la potete vedere nel grafico nella figura qui sotto: la curva di Virgo (viola) si trova più in alto, cioè è sensibile a onde gravitazionali più intense rispetto a LIGO (sia dell’osservatorio di Hanford che di quello di Livingston, entrambi negli USA) che riesce ad arrivare anche a onde un po’ più deboli.

Bene, detta questa cosa un po’ tecnica, ora possiamo capire meglio la prossima figura: che cosa ha osservato Virgo? Lo potete vedere nella figura in basso:

Come abbiamo già detto e come si vede dall’intensità dei colori della riga centrale della figura qui sopra, il segnale è meno rilevante rispetto a quello di LIGO, e sappiamo perché.
Tuttavia l’osservazione c’è e le onde gravitazionali sono state effettivamente misurate.

Le onde gravitazionali osservate sono state causate a 1,8 miliardi di anni luce di distanza dalla collisione di due buchi neri di massa 30,5 e 25,3 masse solari, i quali hanno dato come risultato un bel grosso buco nero di massa 53,2 masse solari. Come al solito, manca un po’ di massa al totale: quella massa, lo spiega la teoria della relatività generale, si è trasformata in energia che è stata trasportata in giro per l’universo sotto forma, appunto, di onde gravitazionali.

Per la maggior parte delle cose, il segnale osservato da Virgo si riferisce a un sistema fisico molto simile a quello misurato con le precedenti osservazioni di onde gravitazionali degli ultimi anni. Se volete fare un bel ripasso, su questo blog trovate già abbastanza materiale: per esempio, potete leggere questo articolo e poi anche quest’altro (questi due articoli si riferiscono alla prima storica osservazione del 14 settembre 2015).

Passiamo ora a due cose veramente importanti di questa osservazione di onde gravitazional, in cui anche l’interferometro Virgo è stato protagonista.

La prima: l’utilità di avere Virgo nel novero degli interferometri è notevole, nonostante la sensibilità di Virgo sia minore rispetto a LIGO. Questo perché più sono gli interferometri che osservano lo stesso fenomeno, più è facile localizzare la sorgente. E più è facile localizzare la sorgente, più probabilità ci sono di indentificare quella che tecnicamente si chiama la contro-parte ottica della sorgente, ovvero il segnale che può si può osservare con i telescopi, diciamo così, “normali”, cioè ottici.

Riuscire a osservare una sorgente sia ottenendo le onde gravitazionali che la luce è di importanza fondamentale per capire molto di più la tipologia di fenomeni che avvengono durante le fasi concitate della collisione tra buchi neri. Tuttavia, anche stavolta come le altre volte, nessuna contro-parte ottica è stata trovata neanche per GW170814.

Per farvi capire l’importanza di Virgo nella localizzazione guardate la figura qui sotto:

Le “banane” colorate si riferiscono alla probabilità di trovare la posizione della sorgente di onde gravitazionali in una determinata regione del cielo. La banana gialla si riferisce alla capacità di localizzazione usando solo i dati di LIGO. La banana verde (e anche quella grigia, ma essa contiene ulteriori analisi) invece si riferisce all’aggiunta di Virgo ai dati di LIGO.
Come vedete le cose migliorano non poco.

Per darvi ancora un’idea migliore guardate anche questa immagine:

In questo mappa sferica del cielo ci sono le banane relative alla localizzazione di tutti i segnali di onde gravitazionali osservati finora (LVT15012 è un segnale “candidato”, cioè non siamo sicuri sia un’onda gravitazionale). Come vedete, la localizzazione di GW170814 è nettamente migliore di tutte le localizzazioni ottenute finora.

La seconda cosa importante di questa osservazione di Virgo riguarda la polarizzazione delle onde gravitazionali. Dunque, la polarizzazione è, in parole poverissime, qualcosa che ci dice la direzione in cui le onde oscillano (ne avevamo già parlato qui su Quantizzando, se ricordate).
La relatività generale predice un comportamento ben preciso riguardo la polarizzazione delle onde gravitazionali. Senza entrare nei dettagli, l’osservazione fatta da Virgo conferma la previsione della relatività generale. Questa è una cosa meravigliosa, mai fatta prima. Appunto, prima non era possibile a causa della particolare configurazione di LIGO che non permette questo genere di misure senza l’ausilio di un altro interferometro.

Quindi, c’è solo da festeggiare. Un interferometro italiano, con tanti scienziati italiani, ha osservato delle onde gravitazionali. Tutti noi dobbiamo essere enormemente soddisfatti e contenti di questa scoperta.

In futuro, sicuramente Virgo osserverà altre onde gravitazionali. Magari le cose andranno meglio con la contro-parte ottica, magari verranno osservate le onde gravitazionali da collisione di due stelle di neutroni (alcuni rumor davano già questa notizia…). Poi, nuovi interferometri si aggiungeranno nel corso degli anni e i dati saranno sempre migliori. Lo dico ogni volta, ma è così: abbiamo appena iniziato a guardare l’universo con occhi diversi. Ora dovremmo solo pian piano abituarci, ma so già che non ci riusciremo mai: l’universo riesce sempre a stupirci ogni volta.


Per saperne di più
La pagina con tutte le informazioni su GW170814

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