Stelle di neutroni, dalla fusione alla nuova era dell’astronomia multimessaggero

SCOPERTE – Una nuova era dell’astronomia è iniziata. Gli interferometri della collaborazione internazionale LIGO-VIRGO hanno osservato la fusione di due stelle di neutroni che ha prodotto non solo onde gravitazionali, ma anche onde elettromagnetiche e lampi gamma osservati in contemporanea da 70 telescopi a terra e dai telescopi in orbita nello spazio. Nasce così l’astronomia multimessaggero, in cui lo stesso fenomeno viene osservato nella completezza dei segnali emessi, e dunque dei “messaggi” prodotti, permettendo per la prima volta sia di vedere un fenomeno che di ascoltarlo. I ricercatori hanno inoltre scoperto che la fusione di questi oggetti densi e massicci rappresenta una vera e propria fabbrica spaziale di elementi chimici pesanti, tra cui l’oro e il platino.

Il primo segnale della nuova astronomia

Il 17 agosto, alle 14.41 ora italiana, un segnale gravitazionale è stato registrato dagli interferometri americani LIGO e dall’italiano VIRGO. Il segnale GW170817 arrivava da una regione periferica della galassia NGC4993, in direzione della costellazione dell’Idra, e da una distanza di 130 milioni di anni luce dalla Terra. Appena 2 secondi dopo l’evento gravitazionale, che è stato non solo rivelato ma anche localizzato grazie proprio al lavoro di triangolazione che i tre interferometri permettono, un segnale è stato captato anche dal Gamma-ray Burst Monitor del telescopio spaziale Fermi e poi confermato dal satellite Integral.

Inizia così la storia dell’astronomia multimessaggero, con i telescopi di tutto il mondo allertati da questi due segnali, che non potevano essere una mera coincidenza. I ricercatori si sono così concentrati su quella porzione di cielo di 28 gradi quadrati rivelando non solo le onde gravitazionali e i raggi gamma prodotti, ma anche altri tipi di radiazione legati sempre allo stesso violento fenomeno astronomico.

Nelle ore e nei giorni successivi alla rivelazione del primo segnale da parte di LIGO e VIRGO, gli astronomi e astrofisici di 70 telescopi a terra e nello spazio hanno scandagliato la sorgente a varie lunghezze d’onda. Proprio queste osservazioni congiunte hanno permesso di identificare le due stelle di neutroni, rispettivamente con masse di 1,1 e 1,6 masse solari, che hanno spiraleggiato fino a fondersi dopo aver percorso i 300 chilometri circa che le separavano l’una dall’altra.

Nel momento di massimo avvicinamento le due stelle hanno iniziato a ruotare sempre più velocemente, fino a creare una perturbazione nello spazio-tempo emessa sotto forma di onda gravitazionale con un “chirp” durato oltre 100 secondi, per poi liberare al momento della collisione un’altissima energia sotto forma di lampo a raggi gamma.

Che fine ha fatto il lampo gamma?

Un risultato che ha permesso di verificare per la prima volta la teoria secondo cui la collisione tra due stelle di neutroni, che sono relitti di esplosioni di supernova e quindi stelle ormai morte, produce sia onde gravitazionali che lampi gamma, cioè potenti lampi di luce attraverso tutto lo spettro elettromagnetico. Inoltre, queste due onde viaggiano alla stessa velocità, cioè la velocità della luce.

Quella che sembrava essere finalmente una risposta porta però a mille nuove domande. L’esplosione di raggi gamma osservata, infatti, è una delle più vicine alla Terra, ma è anche molto debole. Il motivo potrebbe risiedere nel fatto che l’emissione di lampi gamma viene incanalata lungo due getti, due coni di luce che si diramano in direzione opposta, dunque un osservatore sulla Terra vedrà solo il lampo gamma orientato rispetto alla sua direzione. La debolezza del lampo osservato il 17 agosto potrebbe dipendere dunque da un allineamento non perfetto nell’osservazione rispetto al nostro pianeta, una conclusione che sarebbe confermata dalle osservazioni a raggi X e nello spettro radio del fenomeno.

Kilonova, la miniera spaziale

Altra importante scoperta è l’osservazione di una “kilonova”: le due stelle fondendosi hanno rilasciato nello spazio materiale che ha dato il via a processi di nucleosintesi di elementi pesanti. Si è generata così una fabbrica spaziale che ha prodotto rapidamente nuovi elementi chimici pesanti, dal piombo fino all’oro, il platino e l’uranio.

È nata l’astronomia multimessaggero

La sfida raccolta dagli astronomi e dagli astrofisici di tutto il mondo che apre a nuove domande cosmologiche e che non interessa solo lo studio di buchi neri e stelle di neutroni, ma potrebbe svelare anche la natura dei neutrini e di altri fenomeni come le esplosioni di supernova, da cui proprio le stelle osservate il 17 agosto sono nate. Sono passati ormai cento anni da quando Albert Einstein prediceva nella teoria della relatività generale il comportamento dello spazio-tempo e l’annuncio del 16 ottobre rappresenta con la verifica non un punto di arrivo, ma solo un punto di partenza nell’esplorazione e nello studio del cosmo, con un metodo di indagine del tutto nuovo. L’astronomia multimessaggero è appena nata e tanto ancora potrà dirci sui misteri dell’universo.

Le pubblicazioni

I risultati di LIGO-VIRGO sono pubblicati oggi nella rivista Physical Review Letters, mentre molti altri articoli sia delle collaborazioni LIGO e VIRGO che della comunità astronomica legata ai telescopi spaziali, come Integral, Fermi, Swift e Agile sono stati presentati o accettati per la pubblicazione in varie riviste, e vedono protagonisti moltissimi ricercatori italiani, alcuni dei quali come primi autori. Due articoli su Nature hanno come primi autori scienziati dell’INAF.

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