SISTEMI BINARI E ONDE GRAVITAZIONALI

L’enigma delle stelle di neutroni

Possono le onde gravitazionali essere utilizzate per determinare le proprietà delle stelle di neutroni? Oggi, uno studio condotto da tre astrofisici teorici ha permesso di realizzare una serie di simulazioni numeriche che mostrano come questi segnali potrebbero servire per porre dei limiti all'equazione di stato, finora indeterminata, e ad altre caratteristiche relative al processo di fusione di due stelle di neutroni. I risultati su Physical Review

Grazie alle simulazioni più recenti relative al processo di merging di due stelle di neutroni in un sistema binario, la struttura dei segnali a cui gli astronomi stanno dando la caccia sta diventando sempre più definita. Infatti, secondo uno studio pubblicato su Physical Review D da un gruppo di astrofisici teorici tedeschi e giapponesi, le onde gravitazionali avrebbero un spettro caratteristico simile a quello che si osserva per le righe degli spettri atomici.

Illustrazione di un sistema binario formato da due stelle di neutroni mentre orbitano muovendosi a spirale, emettendo onde gravitazionali.

Fino ad oggi, non disponiamo di dati sperimentali riconducibili alle onde gravitazionali predette dalla teoria della relatività generale. Il fatto è che esse sono troppo deboli al punto che si perdono nel rumore tipico delle misure. Le onde gravitazionali vengono generate quando i corpi celesti di una certa massa vengono accelerati. La prima evidenza indiretta della loro esistenza si ebbe nel 1974 quando fu scoperta la pulsar binaria PSR B1913+16 nella costellazione dell’Aquila. Le due stelle di neutroni si stanno avvicinando sempre più seguendo un moto a spirale, il motivo per cui esse stanno perdendo energia che viene emessa sotto forma di onde gravitazionali. Per questa scoperta, nel 1993 Russell A. Hulse e Joseph H. Taylor ricevettero il Premio Nobel per la Fisica.

Nel frattempo, si stanno sviluppando diversi esperimenti, quali l’interferometro americano LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), l’europeo Virgo e quello giapponese KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector). Gli esperti ritengono che i segnali associati all’emissione e alla propagazione di onde gravitazionali saranno rivelati nei prossimi cinque anni. “Questi segnali non sono facilmente misurabili, poiché esse hanno un’ampiezza molto piccola”, spiega Luciano Rezzolla dell’Istituto di Fisica Teoria presso l’Università di Goethe a Francoforte e co-autore dello studio. Assieme a Kentaro Takami, un collega giapponese dell’Università di Osaka, Rezzolla ha studiato un certo numero di sistemi binari in cui sono presenti due stelle di neutroni con l’ausilio delle tecniche più avanzate di simulazioni numeriche trovando che il processo di fusione (merger) genera uno spettro caratteristico di onde gravitazionali (simulazione del merger di un sistema binario di piccola massa). “Questi spettri corrispondono, almeno da un punto di vista logico, alle righe degli spettri atomici e molecolari, da cui possiamo ricavare l’informazione sulle proprietà caratteristiche delle stelle”.

Illustrazione del modello meccanico utilizzato dagli autori per simulare le caratteristiche spettrali del segnale gravitazionale post-merger. Il modello è composto da un disco di massa M e raggio R che ruota con una frequenza Ω(t). Due sfere, ciascuna di massa m/2, sono connesse al disco e sono libere di oscillare mediante una molla ad essi collegata. Credit: Takami et al. 2015

Le onde gravitazionali, oltre ad essere una sorta di strumento di indagine per misurare le distanze cosmologiche e di conseguenza il tasso di espansione dell’Universo (ne abbiamo già parlato in un altro articolo), hanno uno spettro caratteristico che rappresenta una sorta di “impronta digitale” delle due stelle, un risultato discusso dagli stessi autori nel 2014 su Physical Review LettersSe gli scienziati sapranno interpretare questi spettri, allora saremo in grado di capire di che cosa sono fatte le due stelle di neutroni e di determinare qual è la loro equazione di stato, finora indeterminata. Le equazioni di stato descrivono le proprietà termodinamiche dei sistemi fisici in funzione di alcune variabili, come la pressione, la temperatura, il volume o il numero di particelle.

“Si tratta di una possibilità eccitante, perchè potremmo risolvere un rompicapo che è rimasto irrisolto per 40 anni: di che cosa sono fatte le stelle di neutroni e qual è la loro struttura stellare? Se il segnale è forte, e perciò la nostra ‘impronta digitale’ risulta molto nitida, potrebbe essere sufficiente anche una singola misura. Le prospettive di risolvere questo enigma non sono mai state così buone come ora. Le onde gravitazionali che speriamo di rivelare tra qualche anno sono già in viaggio dalle regioni più remote dell’Universo”, conclude Rezzolla.

Dunque, non ci rimane altro che attendere gli sviluppi dai prossimi esperimenti.


Physical Review D: Kentaro Takami, Luciano Rezzolla, and Luca Baiotti (2015) – Spectral properties of the post-merger gravitational-wave signal from binary neutron stars

arXiv: Spectral properties of the post-merger gravitational-wave signal from binary neutron stars


Physical Review Letters: Kentaro Takami, Luciano Rezzolla, and Luca Baiotti (2014) – Constraining the Equation of State of Neutron Stars from Binary Mergers

arXiv: Constraining the Equation of State of Neutron Stars from Binary Mergers