L’espansione dell’Universo attraverso le onde gravitazionali

RICERCANDO ALL’ESTERO – La Dark Energy Survey (DES) è un’indagine dell’emisfero Sud del cielo che ha l’obiettivo di studiare la natura dell’Universo oscuro e caratterizzare l’energia e la materia oscura che stanno accelerando la sua espansione. La DES ha iniziato a raccogliere dati nel 2013 e finora è riuscita a mappare milioni di galassie e migliaia di supernove. Le analisi usate riguardano gli ammassi di galassie, le supernove, il clustering di galassie e il lensing gravitazionale debole.
Antonella Palmese è al FermiLab di Batavia (Stati Uniti) per studiare l’astrofisica di sistemi binari di stelle compatte attraverso l’analisi di onde gravitazionali e galassie.

Nome: Antonella Palmese
Età: 29 anni
Nata a: Roma
Vivo a: Chicago (Stati Uniti)
Dottorato in: astrofisica (Londra, UK)
Ricerca: studio di onde gravitazionali tramite le galassie della Dark Energy Survey
Istituto: Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia (Illinois, Stati Uniti)
Interessi: sport (beach volley e crossfit), musica (blues & jazz), teatro
Di Chicago mi piace: la gente è molto amichevole, i ristoranti molto buoni, la scena musicale
Di Chicago non mi piace: il freddo d’inverno
Pensiero: Everything we see hides another thing, we always want t see what is hidden by what we see. (René Magritte)

Quali sono gli aspetti più importanti delle indagini sulle galassie per studiare le onde gravitazionali?

Innanzitutto le caratteristiche dei sistemi da cui si originano le onde gravitazionali. A questo proposito, l’anno scorso c’è stato un evento molto importante, LIGO e Virgo hanno individuato un segnale di onde gravitazionali proveniente dalla collisione di due stelle di neutroni. È stato chiamato GW170817.
La particolarità di GW170817 è che, per la prima volta nello studio dell’Universo, un evento cosmico è stato osservato sia nelle onde gravitazionali sia nella radiazione elettromagnetica. Fino a quel momento, infatti, nessuna onda gravitazionale era stata associata a emissione di luce, probabilmente perché all’origine c’era lo scontro tra due buchi neri.

Invece di GW170817 siamo riusciti a scoprire subito la controparte ottica, anche perché la sorgente era talmente brillante che era impossibile non accorgersi della sua comparsa: è una kilonova che si trova nella galassia NGC 4993.

Il segnale è stato catturato dalla Dark Energy Camera (DECam), la più potente fotocamera digitale attualmente funzionante nell’emisfero Sud. Si trova in Cile, presso il Cerro Tololo Inter-American Observatory, ed è montata sul telescopio Victor M. Blanco. Con le immagini raccolte dalla DECam, cerchiamo di ottenere informazioni dettagliate delle galassie dell’emisfero Sud comprese in 5000 gradi quadrati di cielo.

Quali sono le caratteristiche della galassia NGC 4993?

È una galassia molto antica, la maggior parte delle stelle che contiene si sono formate 11 miliardi di anni fa. Guardando la sua morfologia, scopriamo che probabilmente è il risultato di una collisione tra due galassie avvenuta circa 200 milioni di anni prima rispetto all’osservazione della radiazione. Se consideriamo che la luce rilevata oggi è stata emessa 130 milioni di anni fa, la collisione risale a ben 330 milioni di anni fa.

Siamo andati a studiare la sua storia di formazione stellare e, in base al tipo di stelle che si sono formate, la loro età, la disposizione nello spazio, è difficile spiegare perché lo scontro tra le due stelle di neutroni sia avvenuto proprio adesso.
I sistemi binari di stelle di neutroni si formano a partire da due stelle molto massicce: a un certo punto la stella più massiccia esplode in supernova e diventa una stella di neutroni. Anche la seconda stella seguirà lo stesso destino, da cui si formerà il sistema binario.
Le stelle molto massicce, però, hanno vita piuttosto breve, qualche decina di milioni di anni. La maggior parte delle stelle presenti in NGC 4993 non è così giovane, sono corpi con circa 11 miliardi di anni e quindi c’è da chiedersi come mai i precursori di GW170817 non si siano scontrati prima.

E poi: in questo schema di formazione stellare devono avvenire due eventi esplosivi perciò, dopo la prima esplosione, le due stelle devono riuscire in qualche modo a rimanere gravitazionalmente legate. Per questo pensiamo sia abbastanza improbabile che la sorgente di GW170817 abbia seguito questo tipo di storia di formazione stellare. Probabilmente ci sono altre modalità di formazione, per esempio tutta quella serie di interazioni dinamiche alla base della nascita di sistemi binari di buchi neri. Magari in origine c’era un terzo corpo che poi è stato catturato, oppure due stelle di neutroni inizialmente molto separate ma portate alla collisione da interazioni gravitazionali.

È possibile usare eventi come GW170817 per studiare i parametri cosmologici?

Una parte della mia ricerca è dedicata a usare questi eventi come sirene standard per misurare l’espansione dell’Universo in maniera indipendente dagli esperimenti più tradizionali.

In questi ultimi anni c’è un grande dibattito sul valore della costante di Hubble: con gli esperimenti Planck o BOOMERanG e la radiazione cosmica di fondo si è arrivati a un numero attorno ai 67 km/s/Mpc (kilometri al secondo per Megaparsec); con le misure di supernove si trova un valore più simile a 73 km/s/Mpc. Da qui la necessità di un metodo di misurazione alternativo per fare chiarezza sulla misurazione.

Abbiamo usato le onde gravitazionali di GW170817 e abbiamo ottenuto un valore di costante di Hubble pari a 70 km/s/Mpc. Chiaramente con un unico evento la barra di errore è molto grande, ma quando LIGO ricomincerà a funzionare nel 2019 avremo a disposizione decine di dati simili e potremo fare misurazioni molto più precise. Sicuramente usare le onde gravitazionali come sirene standard è uno dei metodi più promettenti in questo senso.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Innanzitutto continuare il lavoro sulla costante di Hubble e lo studio sulle proprietà delle galassie. Attualmente mi sto dedicando all’evento di collisione tra due buchi neri avvenuto poco prima della collisione tra le stelle di neutroni e con la DECam stiamo cercando di capire quali galassie lo hanno ospitato. Lavoriamo con un metodo statistico e consideriamo la probabilità che un certo evento provenga da un elemento di volume presente in una certa direzione di cielo e a una certa distanza. La nostra fortuna è che la DES osserva l’emisfero Sud da sei anni, quindi abbiamo dati molto buoni per riuscire a creare una mappa 3D di probabilità sia spaziale che in distanza. Anche in questo caso stiamo aspettando LIGO che, assieme a Virgo, ci permetterà di vedere più lontano e di osservare più eventi di questo tipo.

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