LE ONDE GRAVITAZIONALI SVELANO UN INSOLITO CORPO COMPATTO

Stella di neutroni o buco nero? Questo è il mistero

La collaborazione Ligo-Virgo ha annunciato la scoperta di un oggetto misterioso di 2.6 masse solari, trovato il 14 agosto 2019 mentre si stava fondendo con un buco nero di 23 masse solari, generando le onde gravitazionali rilevate sulla Terra da Ligo e Virgo. Gli scienziati non sanno ancora se fosse una stella di neutroni o un buco nero, ma in entrambi i casi ha stabilito un record, come la stella di neutroni più pesante o il buco nero più leggero, a oggi conosciuti

     24/06/2020
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Nell’agosto del 2019, la rete Ligo-Virgo ha rilevato la fusione di un buco nero con un massa pari a 23 volte la massa del Sole e un oggetto misterioso la cui massa è 2.6 masse solari. Gli scienziati non sanno se l’oggetto misterioso fosse una stella di neutroni o un buco nero, ma in entrambi i casi ha stabilito un record come la stella di neutroni più pesante o il buco nero più leggero, a oggi conosciuti. Crediti: Ligo/Caltech/Mit/R. Hurt (Ipac).

Quando le stelle più massicce muoiono, collassano sotto la loro stessa gravità e ciò che rimane sono buchi neri. Quando a morire sono stelle un po’ meno massicce, esplodono in quelle che prendono il nome di supernove, e ciò che rimane sono oggetti molto densi e compatti chiamati stelle di neutroni. Per decenni, gli astronomi sono rimasti perplessi dal divario riscontrato, in termini di massa, tra le stelle di neutroni e i buchi neri: la stella di neutroni più pesante conosciuta non supera le 2.5 masse solari e il buco nero più leggero conosciuto è di circa 5 masse solari. La domanda sorge spontanea: e in mezzo? C’è qualcosa nel cosiddetto gap di massa?

Ora, in un nuovo studio del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory della National Science Foundation e del rivelatore Virgo, in Europa, gli scienziati hanno annunciato la scoperta di un oggetto di 2.6 masse solari, quindi nel gap di massa. L’oggetto è stato trovato il 14 agosto 2019, mentre si stava fondendo con un buco nero di 23 masse solari, generando le onde gravitazionali rilevate sulla Terra da Ligo e Virgo. Lo studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal Letters.

«Abbiamo aspettato decenni per risolvere questo mistero», afferma Vicky Kalogera della Northwestern University, co-autrice dello studio. «Non sappiamo se questo oggetto sia la stella di neutroni più pesante a oggi conosciuta, o il buco nero più leggero, ma in entrambi i casi supera un record».

«Questo cambierà il modo in cui gli scienziati parlano delle stelle di neutroni e dei buchi neri», afferma Patrick Brady, co-autore e professore all’Università del Wisconsin, Milwaukee, nonché portavoce della collaborazione scientifica Ligo. «Il gap di massa potrebbe in realtà non esistere affatto, ma potrebbe essere dovuto a limitazioni nelle capacità di osservazione. Il tempo e più osservazioni ce lo diranno».

Questo è un fermo immagine di un video che mostra la coalescenza di due buchi neri che si stanno fondendo, emettendo onde gravitazionali. Un buco nero è 9.2 volte più massiccio dell’altro ed entrambi gli oggetti non ruotano. L’elevato rapporto di massa amplifica le armoniche delle onde gravitazionali nel segnale emesso. Il segnale dell’onda gravitazionale prodotto è coerente con l’osservazione fatta dai rilevatori di onde gravitazionali Ligo e Virgo il 14 agosto 2019 (Gw190814). Crediti: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration.

La fusione cosmica descritta nello studio – un evento chiamato Gw190814 – ha generato un buco nero di circa 25 volte la massa del Sole (parte della massa che si è unita è stata convertita in un’esplosione di energia sotto forma di onde gravitazionali). Il buco nero appena formato si trova a circa 800 milioni di anni luce dalla Terra. Prima che i due oggetti si fondessero, le loro masse differivano di un fattore 9, che rappresenta il rapporto di massa più estremo noto per un evento di onde gravitazionali. Per confronto, un altro evento recente rilevato da Ligo-Virgo – chiamato Gw190412 – si è verificato tra due buchi neri con un rapporto di massa di circa 4 a 1.

«Per gli attuali modelli teorici, è una sfida formare coppie di oggetti compatti con un rapporto di massa così grande, in cui il compagno di massa inferiore risiede nel gap di massa. Questa scoperta implica che questi eventi si verificano molto più spesso di quanto previsto, rendendo questo un oggetto davvero intrigante», spiega Kalogera. «L’oggetto misterioso potrebbe essere una stella di neutroni che si fonde con un buco nero, una possibilità entusiasmante prevista teoricamente ma non ancora confermata da osservazioni. Tuttavia, a 2.6 volte la massa del Sole, supera le attuali previsioni per la massa massima di stelle di neutroni, e potrebbe invece essere il buco nero più leggero mai rilevato».

Quando gli scienziati di Ligo e Virgo hanno notato questa fusione, hanno immediatamente inviato un avviso alla comunità astronomica. Dozzine di telescopi terrestri e spaziali sono stati puntati in quella direzione, alla ricerca delle onde luminose generate nell’evento, ma nessuno ha raccolto alcun segnale. Finora, simili controparti ai segnali delle onde gravitazionali sono state viste una sola volta, in un evento chiamato Gw170817. L’evento, scoperto dalla rete Ligo-Virgo nell’agosto del 2017, ha visto coinvolta una fusione di due stelle di neutroni, che è stata successivamente testimoniata da dozzine di telescopi sulla Terra e nello spazio. Le fusioni di stelle di neutroni sono “relazioni complicate” nelle quali la materia viene proiettata verso l’esterno in tutte le direzioni, ed è previsto che brillino di luce a varie lunghezze d’onda. Al contrario, si ritiene che le fusioni di buchi neri, nella maggior parte dei casi, non producano luce rilevabile.

Questo grafico mostra le masse dei buchi neri rilevati attraverso le osservazioni elettromagnetiche (viola), i buchi neri misurati dalle osservazioni delle onde gravitazionali (blu), le stelle di neutroni misurate con le osservazioni elettromagnetiche (giallo) e le stelle di neutroni rilevate attraverso le onde gravitazionali (arancione ). Gw190814 è evidenziato nel mezzo del grafico come la fusione di un buco nero e un oggetto misterioso la cui massa è circa 2.6 volte la massa del Sole. Crediti: Ligo-Virgo/Frank Elavsky e Aaron Geller (Northwestern).

Secondo gli scienziati di Ligo e Virgo, l’evento dell’agosto 2019 non è stato visto dai telescopi ottici per diverse ragioni. Innanzitutto, è stato sei volte più lontano rispetto alla fusione osservata nel 2017, rendendo più difficile raccogliere i segnali luminosi. In secondo luogo, se la collisione avesse interessato due buchi neri, probabilmente non avrebbe sviluppato luce visibile. Terzo, se l’oggetto fosse in realtà una stella di neutroni, il suo compagno buco nero 9 volte più massiccio avrebbe potuto ingoiarla per intero, e una stella di neutroni divorata da un buco nero non emette luce. «Mi ricorda Pac-Man che mangia un piccolo puntino», scherza Kalogera. «Quando le masse sono molto asimmetriche, la stella di neutroni più piccola può essere mangiata in un solo morso».

Come potranno mai i ricercatori sapere se l’oggetto misterioso era una stella di neutroni o un buco nero? Osservazioni future con Ligo e Virgo – e forse con altri telescopi – potrebbero catturare eventi simili che sarebbero in grado di aiutare a rivelare se esistono altri oggetti nel gap di massa. «Questo è il primo assaggio di quella che potrebbe essere una nuova popolazione di oggetti binari compatti», afferma Charlie Hoy, membro della Ligo Scientific Collaboration. «Ciò che è veramente eccitante è che questo è solo l’inizio».

«Ancora una volta le onde gravitazionali ci raccontano qualcosa di nuovo ed inaspettato», conclude Riccardo Ciolfi dell’Inaf Osservatorio Astronomico di Padova, raggiunto per l’occasione da Media Inaf. «Dopo aver catturato la coalescenza di coppie di buchi neri o coppie di stelle di neutroni, questa potrebbe essere la prima rivelazione della tanto attesa binaria “mista”, in cui una stella di neutroni viene distrutta e mangiata da un buco nero ben più massivo (in questo caso di circa 9 volte). Se così fosse, l’oggetto più leggero sarebbe la stella di neutroni più massiva mai osservata in un sistema binario. Resta però il dubbio che l’oggetto leggero sia anch’esso un buco nero – di nuovo qualcosa di sorprendente,  in quanto sarebbe di gran lunga il buco nero più leggero mai osservato. In ogni caso, questo evento è eccezionale e porta con sé enigmi la cui soluzione aprirà nuovi scenari per l’astrofisica di questi sistemi».

Allo studio, dell’Inaf hanno collaborato, oltre a Riccarco Ciolfi, Aniello Grado dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Om Sharan Salafia dell’Osservatorio Astronomico di Brera e Giulia Stratta dell’Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna.

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