30 Giu 2021 Onde Gravitazionali da una Coppia Buco Nero-Stella di Neutroni
Per la prima volta, gli scienziati hanno confermato la rilevazione di una collisione tra un buco nero e una stella di neutroni. Due eventi di fusione mista tra oggetti compatti, avvenuti a distanze superiori a 900 milioni di anni luce da noi, hanno provocato l’emissione di potenti onde gravitazionali che hanno raggiunto la Terra nel Gennaio 2020. Sembra che in entrambi i casi la stella di neutroni sia stata divorata per intero dal suo compagno buco nero.
Le collaborazioni LIGO, Virgo e KAGRA hanno annunciato la prima rilevazione di onde gravitazionali derivanti dalla fusione tra un buco nero e una stella di neutroni. La scoperta è stata pubblicata il 29 Giugno su Astrophysical Journal Letters. Le onde gravitazionali sono increspature del tessuto spazio-temporale create dal moto di oggetti massicci. Da quando, cinque anni fa, sono state misurate per la prima volta, i ricercatori hanno identificato oltre 50 segnali di onde gravitazionali, derivanti dalla fusione di coppie di buchi neri e coppie di stelle di neutroni. Sia buchi neri che stelle di neutroni derivano dal collasso di stelle massicce esplose in supernove alla fine della loro vita.
L’individuazione dei segnali di onde gravitazionali appena annunciati, che coinvolgono per la prima volta due sistemi binari ognuno composto da un buco nero e una stella di neutroni, è dovuta ai due rilevatori Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli USA e al rilevatore Virgo in Italia. Il rilevatore giapponese KAGRA, che si è unito alla rete LIGO-Virgo nel 2020, non era online durante queste rilevazioni. I segnali, chiamati GW200105 e GW200115 dalla data della loro rilevazione, sono stati prodotti da un processo già previsto, ma mai osservato prima: la fusione di coppie miste, ognuna formata da un buco nero e una stella di neutroni.
Tanto tempo fa, in due galassie remote, due buchi neri hanno ingoiato ciascuno la loro stella di neutroni compagna, innescando potenti onde gravitazionali che infine, dopo un viaggio durato quasi un miliardo di anni, hanno raggiunto la Terra. La scoperta permetterà ai ricercatori di apprendere nuove informazioni sulle origini di questi rari sistemi binari e sulla frequenza delle loro fusioni. “Le onde gravitazionali ci hanno permesso di individuare collisioni tra coppie di buchi neri e coppie di stelle di neutroni, ma la collisione mista tra un buco nero e una stella di neutroni era rimasta una parte elusiva mancante della ‘foto di famiglia’ delle fusioni tra oggetti compatti”, afferma Chase Kimball della Northwester University, tra gli autori dello studio. “Con queste rilevazioni avremo finalmente misurazioni della frequenza a cui si fondono tutte e tre le categorie di oggetti binari compatti”. Anche se non tutti gli eventi possono essere individuati, secondo i ricercatori potrebbe aver luogo una fusione di questo genere una volta al mese entro la distanza di un miliardo di anni luce da noi.
Le onde gravitazionali contengono informazioni sulla loro sorgente, come la massa delle componenti del sistema binario. Le analisi dei segnali hanno rivelato che GW200105 deriva dalla fusione, avvenuta circa 900 milioni di anni fa, tra un buco nero 8,9 volte più massiccio del Sole e una stella di neutroni con massa 1,9 volte quella solare, mentre GW200115 ha avuto origine da una coppia che si è fusa circa un miliardo di anni fa, con masse 5,7 e 1,5 volte quella solare. La differenza tra la massa delle due componenti indica che si tratta proprio di sistemi binari misti: la massa dell’oggetto più pesante corrisponde a quella del buco nero, mentre la massa dell’oggetto più leggero è coerente con quella di una stella di neutroni.
La differenza tra le due masse potrebbe anche spiegare perché i telescopi non hanno individuato segnali di onde elettromagnetiche associati all’evento. Quando una stella di neutroni si avvicina a un buco nero, teoricamente viene distrutta dalle forze mareali, provocando lampi di radiazione elettromagnetica.
Tuttavia, nei due casi osservati, il buco nero, essendo ben più massiccio, potrebbe aver divorato la stella di neutroni in un sol boccone, senza lasciare traccia. Sono state proposte varie ipotesi per spiegare la formazione di fusioni binarie miste. La prima coinvolge l’evoluzione di una coppia di stelle in orbita una attorno all’altra. Verso la fine della loro vita, una delle stelle potrebbe diventare un buco nero, mentre l’altra una stella di neutroni, continuando tuttavia a ruotare una attorno all’altra.
Secondo l’ipotesi dell’interazione dinamica, invece, le due componenti della coppia si formano indipendentemente in uno spazio interstellare molto denso prima di accoppiarsi definitivamente. Queste rilevazioni aprono la strada per l’individuazione di altre binarie miste, così come per l’osservazione e la comprensione dei fenomeni estremi coinvolti in questi processi. L’evento GW200115 è stato individuato da tre grandi rilevatori (entrambi gli strumenti LIGO e Virgo). In questo modo la direzione di origine delle onde gravitazionali è stata individuata in una regione di cielo che copre un’area equivalente a 2.900 Lune piene. L’evento GW200105, registrato dieci giorni più tardi, ha visto coinvolto uno solo dei due rilevatori LIGO, mentre per quanto riguarda Virgo il segnale era troppo debole nei dati. Dal momento che il segnale era forte a sufficienza in un solo rilevatore, gli astronomi non hanno potuto determinare con precisione la direzione di origine dell’onda. I dati combinati hanno tuttavia permesso di restringere la ricerca a un’area di cielo equivalente alla dimensione di 34.000 Lune piene.
“Ora abbiamo visto i primi esempi di buchi neri che si fondono con stelle di neutroni, pertanto sappiamo che sono là fuori”, conclude Maya Fishbach della LIGO Scientific Collaboration. “Ma ci sono ancora molte cose che non sappiamo su stelle di neutroni e buchi neri: quanto possono arrivare ad essere grandi o piccoli, quanto velocemente ruotano, come si accoppiano. Con futuri dati di segnali di onde gravitazionali avremo a disposizione la statistica necessaria per rispondere a queste domande e infine capire fino in fondo come si formano gli oggetti più estremi dell’Universo”.
Nell’immagine rappresentazione artistica di una fusione tra un buco nero e una stella di neutroni
CREDIT Carl Knox, OzGrav – Swinburne University
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/c-tfd062821.php
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/nu-adf062821.php
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