FUSIONE TRA BUCO NERO E STELLA DI NEUTRONI: EVENTI RARI E MISTERIOSI

A caccia di uno degli eventi cosmici più catastrofici

Due grandi gruppi internazionali di astronomi (di cui fa parte anche un ricercatore dell'Inaf) hanno unito le forze per cercare la firma elettromagnetica di uno degli eventi cosmici più catastrofici: la collisione tra una stella di neutroni e un buco nero, tra gli oggetti più pesanti dell’universo. L’evento non è stato identificato, ma lo studio pubblicato su Nature Astronomy fornisce importanti spunti su come cercare questi rari fenomeni in futuro

     14/09/2020
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Rappresentazione artistica di un raro evento cosmico: la fusione tra una stella di neutroni e un buco nero, due tra gli oggetti più “pesanti” dell’Universo. Crediti: Francois Foucart, University of New Hampshire

Il bagliore residuo della fusione di una stella di neutroni e di un buco nero (Nsbh merger, in inglese) non è mai stato visto prima e due collaborazioni internazionali di astronomi ne hanno cercato intensamente uno durante la terza campagna osservativa (O3) degli interferometri Ligo e Virgo – strumenti su scala chilometrica in grado di rilevare le più piccole increspature nel tessuto spaziotempo, chiamate onde gravitazionali, prodotte quando gli oggetti più pesanti dell’Universo si scontrano, fondendosi. Un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature Astronomy, che vede tra gli autori anche Ruben Sánchez-Ramírez – post-doc presso l’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) – getta nuova luce su questo evento cosmico ancora misterioso e a dir poco raro da osservare. I celebri cacciatori di onde gravitazionali (situati negli Stati Uniti e in Italia) hanno individuato dei potenziali candidati di fusioni Nsbh nel gennaio 2020, ma i due team guidati dal California Institute of Technology (Caltech) non sono riusciti a trovarne la controparte ottica. Il mancato ritrovamento è in ogni caso un risultato importante perché fornisce agli esperti importanti informazioni su come continuare questo tipo di ricerca.

Per confermare la scoperta di una fusione tra una stella di neutroni e un buco nero, i ricercatori sono andati a caccia di una kilonova, la firma elettromagnetica di uno scontro di questa portata. Lo studio dell’intensità e della composizione della lunghezza d’onda di questa radiazione può rivelare informazioni importanti su come questi due corpi massicci si sono fusi, quali sono le loro masse, nonché quali elementi e quanto materiale è stato espulso. Andare a caccia di kilonovae è un compito arduo, perché sono deboli, in rapida dissolvenza e gli astronomi devono scandagliare un’ampia regione del cielo per trovare la posizione esatta della fusione. Ma cos’è una kilonova? La collisione di due stelle di neutroni o, in questo caso, di una stella di neutroni e di un buco nero, genera un’esplosione astronomica (definita anche macronova, 1000 volte più luminosa di una nova classica), che si osserva soprattutto nella fase in cui è predominante l’emissione di radiazione elettromagnetica nella banda visibile e infrarossa. Le kilonovae sono tra i pochi modi per confermare l’esistenza stessa dei sistemi Nsbh, le cui onde gravitazionali sono molto simili a quelle dei sistemi binari di buchi neri di piccola massa. 

«Se potessimo catturare la luce della kilonova da una fusione Nsbh, potremmo capire quali elementi pesanti si formano in questi sistemi e come. Questa volta non abbiamo avuto successo, ma abbiamo imparato molto su come eseguire meglio le nostre ricerche in futuro», afferma Shreya Anand, studentessa laureata presso il Caltech e autrice principale dello studio.

Il primo gruppo di ricercatori ha utilizzato la Zwicky Transient Facility (Ztf), una grande fotocamera (montata sul telescopio di un metro Samuel Oschin presso l’Osservatorio Palomar) progettata per scansionare rapidamente il cielo per catturare improvvisi e brevi bagliori cosmici – chiamati transienti – per cercare kilonovae associate a due possibili eventi Nsbh, denominati con le sigle S200105ae e S200115j. Un sofisticato algoritmo ha poi controllato automaticamente milioni di rilevamenti per identificare eventi astrofisici plausibili che potrebbero essere collegati a un evento Nsbh. Il secondo team, un’ampia collaborazione di astronomi del Global Relay of Observatories Watching Transients Happen (Growth), ha quindi scelto i migliori candidati per condurre osservazioni di follow-up con la loro rete globale di telescopi ottici in cerca di kilonovae.

Il più delle volte, trattandosi appunto di eventi rari, non viene identificata alcuna kilonova – come in questo caso – ma è possibile dedurre le proprietà di queste fusioni Nsbh e delle loro kilonovae anche non trovandole, poiché la mancata rilevazione fornisce informazioni su ciò che potrebbe essere avvenuto in quella zona di cielo. Lo studio pubblicato su Nature Astronomy dimostra che è possibile intraprendere ricerche in luce visibile per le controparti kilonova delle fusioni Nsbh, poiché sono alla portata dei moderni telescopi ottici, all’interno di una significativa porzione di universo. 

Durante l’esplosione di kilonova si formano gli elementi chimici chiamati lantanidi tramite il processo R (cattura neutronica veloce): tra i tanti ricordiamo oro, platino e in generale elementi più pesanti del ferro. La prova definitiva dell’esistenza di queste emissioni è arrivata per prima volta con la scoperta della sorgente nota con la sigla Gw 170817, che ha segnato la nascita dell’astronomia multimessaggera, cioè un tipo di astronomia che consente di studiare l’universo in tutte le lunghezze d’onda elettromagnetiche, come raggi X, ultravioletti, luce visibile, infrarossi, onde radio ma anche grazie all’ulteriore contributo delle onde gravitazionali. 

Ma perché gli astronomi fanno fatica a trovare eventi di fusione tra stelle di neutroni e buchi neri? La risposta è correlata a quello che in gergo viene chiamato gap di massa. 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. Ciò che esiste nel mezzo è sconosciuto. Catturare una fusione Nsbh in atto è difficile soprattutto perché la firma delle onde gravitazionali da Nsbh di massa elevata è molto simile a quella dello scontro di due buchi neri di piccola massa.

Gli astronomi non demordono e, basandosi sui dati raccolti in questi mesi, continueranno la loro ricerca. Si prevede che Ligo riprenderà le operazioni scientifiche per una quarta serie di osservazioni all’inizio del 2022. Nel frattempo gli esperti dei team Ztf e Growth sono impegnati con un’ulteriore automazione per la valutazione dei candidati. Qualche chance in più verrà offerta dall’Osservatorio Vera C. Rubin, un telescopio molto più sensibile attualmente in costruzione in Cile che diventerà operativo nei prossimi anni.

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature Astronomy l’articolo Optical follow-up of the neutron star–black hole mergers S200105ae and S200115j, di Shreya Anand , Michael W. Coughlin , Mansi M. Kasliwal, Mattia Bulla , Tomás Ahumada, Ana Sagués Carracedo, Mouza Almualla , Igor Andreoni, Robert Stein , Francois Foucart, Leo P. Singer , Jesper Sollerman , Eric C. Bellm , Bryce Bolin, M. D. Caballero-García, Alberto J. Castro-Tirado, S. Bradley Cenko , Kishalay De, Richard G. Dekany , Dmitry A. Duev , Michael Feeney17, Christoffer Fremling , Daniel A. Goldstein, V. Zach Golkhou, Matthew J. Graham , Nidhal Guessoum, Matthew J. Hankins, Youdong Hu , Albert K. H. Kong , Erik C. Kool , S. R. Kulkarni, Harsh Kumar , Russ R. Laher , Frank J. Masci , Przemek Mróz, Samaya Nissanke, Michael Porter, Simeon Reusch, Reed Riddle, Philippe Rosnet, Ben Rusholme , Eugene Serabyn, R. Sánchez-Ramírez , Mickael Rigault , David L. Shupe , Roger Smith, Maayane T. Soumagnac, Richard Walters e Azamat F. Valeev.