sabato, Settembre 18

Come abbiamo scoperto onde gravitazionali da ‘stelle di neutroni’, e perché è un affare enorme La spiegazione da chi opera dall'interno dell'Osservatorio LIGO

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Martin Hendry, Professore di Astrofisica e Cosmologia Gravitazionale presso l’Università di Glasgow, spiega la scoperta Made in Italy di onde gravitazionali dastelle di neutroni‘, annunciata ieri nel corso di tre simultanee conferenze stampa a Roma, a Washington e in Germania dai team che hanno guidato il lavoro di oltre 3500 scienziati in tutto il mondo.  Per la prima volta nella storia dell’astronomia è stata rivelata un’onda gravitazionale prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni e captata, dalle onde radio fino ai raggi gamma, la radiazione elettromagnetica associata alla poderosa esplosione avvenuta durante ‘l’abbraccio fatale’.

Il segnale, che sembra cambiare il modo in cui si osserverà e studierà l’Universo, è stato registrato il 17 agosto scorso, alle 14,41 ora italiana, e l’evento è avvenuto a 130 milioni di anni luce da noi, alla periferia della galassia NGC4993, in direzione della costellazione dell’Idra.
Il momento della nascita è stato ‘fotografato’ con diverse modalità. È la prima volta che un evento cosmico viene osservato sia con le onde gravitazionali dagli interferometri, sia con la radiazione elettromagnetica dai telescopi a terra e nello spazio scoprendo, tra l’altro, che in quegli eventi si formano elementi chimici pesanti, come oro, platino e piombo che vengono poi distribuiti in tutto l’Universo. Al momento della collisione, gran parte della massa delle due stelle di neutroni si è fusa in un oggetto densissimo, emettendo un lampo di raggi gamma. Le misure iniziali di raggi gamma, combinate con la rivelazione dell’onda gravitazionale, forniscono anche la conferma della teoria della relatività generale di Albert Einstein, secondo cui le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce.
La scoperta è stata realizzata grazie alla sinergia tra i due Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (l’Osservatorio LIGO) negli Stati Uniti insieme al rivelatore Virgo, situato vicino Pisa, abbinata alle osservazioni e alle indagini nella banda elettromagnetica ottenute da 70 telescopi a terra, tra cui l’osservatorio spaziale Fermi.

Martin Hendry è membro di LIGO per tanto ci spiega a ragion veduta.

Per settimane si diceva che gli scenziati avessero scoperto delle onde gravitazionali – piccole increspature nel tempo e nello spazio – generate da una fonte diversa dalle collisioni tra buchi neri. Ora possiamo finalmente confermare che abbiamo osservato queste onde prodotte dalla violenta collisione di due enormi, stelle ultradense, a più di 100 milioni di anni luce dalla Terra.

La scoperta è stata fatta il 17 agosto, dalla rete globale degli interferometri avanzati per onde gravitazionali, compresi i detector LIGO negli Stati Uniti, e il loro cugino europeo, Virgo, in Italia. E’ enormemente importante, anche perchè aiuta a risolvere alcuni grossi misteri dell’astrofisica – inclusa la causa dei flash luminosi conosciuti come ‘lampi-gamma’ e forse anche l’origine di elementi pesanti come l’oro.

Come membro della collaborazione scientifica LIGO, sono andato immediatamente in estasi vedendo i dati iniziali. E il periodo seguente è stato il bimestre più intenso, privo di sonno, e incredibilmente eccitante della mia carriera.

L’annuncio è arrivato proprio dopo poche settimane dalla premiazione del Nobel per la Fisica di tre scienziati per il lavoro su cui si è basata la ricerca che ha portato verso la scoperta delle onde gravitazionali, annunciata per la prima volta nel febbraio 2016. Da allora, localizzare le onde gravitazionali delle collisioni di buchi neri ha iniziato a sembrare un territorio familiare – con quattro di questi eventi individuati. Ma per quanto ne sapevamo, le collisioni di buchi neri offrono esclusivamente una finestra sulla materia oscura dell’universo. Non siamo stati capaci di registrare della luce da questi eventi con nessun altro strumento.

Ma GW170817 – l’orecchiabile titolo dell’evento del 17 agosto – cambia tutto. Questo perchè la fonte delle onde, stavolta, erano due stelle di neutroni – residui stellari incredibilmente densi, della dimensione di una città, ognuno più pesante del sole. Queste stelle hanno sfrecciato l’una verso l’altra a una buona frazione della velocità della luce prima di fondersi in una collisione cataclismica che, ora vediamo, ha scosso lo stesso tessuto dello spazio e del tempo.

Mistero risolto.

Il concerto cosmico è stato solo l’inizio. Gli astronomi hanno a lungo sospettato che la fusione di due stelle di neutroni potesse essere l’inizio di un breve lampo gamma – un intenso flash di raggi gamma che rilascia più energia in una frazione di secondo di quella che il sole potrebbe produrre in dieci miliardi di anni. Per diversi decenni abbiamo osservato questi lampi di raggi gamma, senza però conoscere con certezza cosa li producesse.

Comunque, dopo soli 1.7 secondi dopo che le onde gravitazionali del GW170817 sono arrivate sulla Terra, il satellite della Nasa Fermi ha osservato un piccolo flash di raggi gamma nella stessa direzione. LIGO  e Virgo avevano trovato la ‘pistola fumante’, e la connessione tra collisioni di stelle di neutroni e lampi gamma è stata finalmente stabilita chiaramente.

La combinazione di onde gravitazionali e osservazioni di raggi gamma ha consentito di definire l’esplosione a circa 100 volte la dimensione della luna piena. Questo ha poi permesso a una serie di telescopi astronomici sensibili alla luce di cercare lungo il cielo i ‘postumi’ dell’esplosione. E questi sono stati trovati al limite di una galassia chiamata NGC4993, nella costellazione di Idra.

Nei giorni e nelle settimane successive gli astronomi hanno osservato eccitati le ‘braci’ dell’esplosione che brillavano luminose e svanivano, coincidendo con il disegno che ci si aspettava dalla ‘kilonova’. Questa si produce quando materiali ricchi di particelle subatomiche, conosciute come neutroni, vengono espulsi a grande velocità dal lampo gamma. Questi vengono poi dispersi nelle regioni spaziali circostanti, causando la produzione di elementi pesantemente radioattivi.

Questi elementi instabili, in genere, decadono in uno stato stabile emettendo radiazioni. Questo è ciò che causa il brillare della kilonova, che è stata ora confermata e mappata nei dettagli. Le nostre osservazioni supportano anche la teoria per la quale i prodotti finali di questa catena di reazioni includono abbondanti quantità di metalli preziosi come oro e platino. Abbiamo sempre sospettato che le stelle di neutroni giocassero un ruolo chiave nella produzione di questi materiali nello spazio, e ora questa ipotesi sembra ancora più convincente. La kilonova che si è formata potrebbe aver prodotto tanto oro quanto l’intera massa terrestre – 1.000 trilioni di tonnellate.

Osservando la kilonova da vicino per la primissima volta, e vedendo come si inserisce bene nello storyboard astronomico ancora in fase di svolgimento che è iniziato con la fusione delle stelle di neutroni, gli astronomi hanno fatto un grande balzo in avanti nello studio di questi violenti eventi cosmici.

L’idea che siamo tutti fatti di ‘polvere di stelle’ è sempre più apprezzata nella cultura popolare, dai documentari ai testi delle canzoni. Ora inizia a diffondersi quella dell’origine stellare del nostro Rolex o della fede nuziale. Forse persino più eccitante, comunque, è l’enorme potenziale aperto da questo approccio radicale allo studio del cosmo.

Lavorando e collaborando, usando strumenti che non operano solo attravero lo spettro della luce ma sono anche sensibili alle onde gravitazionali e ai neutrini, gli astronomi sono pronti ad aprire una nuova finestra ‘multi-messenger’ sull’universo, con molti altre scoperte da fare e nuovi ‘misteri cosmici’ da risolvere. Per esempio, abbiamo giù usato le nostre osservazioni per fare le prime misure del rateo di espansione dell’universo, usando sia le onde gravitazionali che la luce. Il nostro rapporto uscirà su ‘Nature’ il 16 ottobre.

Altri risultati seguiranno presto. L’eccitante nuova era dell’astronomia ‘multi-messenger’ è appena iniziata col botto.

 

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