La Storia di una Kilonova Raccontata dai Raggi X

01 Mar 2022 La Storia di una Kilonova Raccontata dai Raggi X

Grazie a osservazioni del telescopio Chandra della NASA, un team di astronomi ha individuato la radiazione in banda X emessa in seguito a uno degli eventi più spettacolari dell’Universo: la fusione di due stelle di neutroni, in grado di generare una potentissima Kilonova e di diffondere nello spazio elementi pesanti come oro e uranio. Oltre quattro anni dopo la rilevazione di onde gravitazionali emesse dall’evento, le osservazioni hanno individuato una nuova, misteriosa sorgente di radiazione X, che potrebbe essere dovuta alla presenza di un buco nero generato dalla fusione delle due stelle di neutroni.

Il 17 Agosto 2017 la collaborazione LIGO-Virgo allertò la comunità astronomica sulla rilevazione di un evento di onde gravitazionali catalogato GW170817. Circa due secondi più tardi il telescopio INTEGRAL dell’ESA e il telescopio Fermi della NASA osservarono un lampo gamma corto proveniente dalla stessa direzione. In seguito un insieme notevole di telescopi iniziò la caccia per localizzare la sorgente dell’evento, individuata infine nella galassia lenticolare NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce da noi. Un punto luminoso brillava laddove nulla era visibile prima, e questo ha fatto sì che iniziasse una delle più vaste campagne osservative internazionali di sempre, che ha coinvolto decine di telescopi.

Le increspature nello spaziotempo note come onde gravitazionali vengono create da masse in movimento, ma soltanto le più intense, dovute a rapidi cambiamenti nella velocità di oggetti molto massicci, possono essere rilevate. Uno di questi eventi è la fusione di stelle di neutroni. La straordinarietà del fenomeno era dovuta al fatto che si trattava del primo esempio di astronomia multi-messaggera, una nuova realtà astronomica che trae informazioni sia da onde gravitazionali che da radiazione elettromagnetica. I dati in varie lunghezze d’onda rivelarono la prima prova osservativa di un evento di kilonova, la controparte visibile della fusione di due stelle di neutroni. Questi oggetti sono i resti collassati, estremamente densi, di stelle massicce esplose come supernove. Durante un evento così energetico avviene un’esplosione 1000 volte più luminosa di una tipica nova, chiamata kilonova.

Dopo la fusione di due stelle di neutroni, una quantità di elementi chimici pesanti, come oro, uranio, cesio e tellurio si espande rapidamente nello spazio, muovendosi a un quinto della velocità della luce. L’osservatorio Chandra a raggi X della NASA è stato l’unico ad essere riuscito a rilevare radiazione luminosa da questa collisione cosmica oltre 4 anni dopo l’osservazione dell’evento originale.

“Siamo entrati in un territorio inesplorato, studiando i residui brillanti di una fusione di stelle di neutroni”, spiega Aprajita Hajela della Northwestern University, a guida dello studio. Secondo gli astronomi, dopo la fusione i detriti producono luce visibile e infrarossa per via del decadimento di elementi radioattivi come platino e oro, formati in seguito all’evento. Luce ottica ed emissione infrarossa, infatti, sono state rilevate da GW170817 qualche ora dopo le onde gravitazionali. Ma l’evento appare molto differente in banda X. Subito dopo l’allerta iniziale delle onde gravitazionali, gli scienziati non hanno osservato alcun bagliore di radiazione X dalla sorgente. Soltanto il 26 Agosto Chandra ha scoperto un punto luminoso in banda X.

Questa dinamica fornisce la prova della presenza di uno stretto getto di particelle ad alta energia prodotto dalla fusione delle due stelle di neutroni. Il getto non era diretto verso la Terra. Si ritiene pertanto che, all’inizio, Chandra abbia osservato il getto da un lato, non riuscendo così a rilevare radiazione X immediatamente dopo l’emissione di onde gravitazionali. Tuttavia, col trascorrere del tempo, il materiale nel getto ha rallentato il suo moto e ha impattato contro il materiale circostante. Questo ha provocato un allargamento del cono del getto, che ha iniziato ad espandersi verso la direzione osservabile da Chandra, che ha potuto così catturare la radiazione X. Sin dal 2018 questa radiazione è diventata gradualmente più debole, man mano che il getto si è espanso e ha rallentato il suo moto.

Il team ha scoperto che dal Marzo 2020 alla fine dello stesso anno questo calo di luminosità è cessato e l’emissione di radiazione X ha mantenuto una luminosità pressoché costante. “Il fatto che i raggi X abbiano smesso di affievolirsi rapidamente ha rappresentato la prova migliore che stavamo osservando in questa sorgente una radiazione X aggiuntiva, emessa da qualche altro fenomeno”, spiega Raffaella Margutti dell’University of California, Berkeley, tra gli autori dello studio. “Sembrava che fosse necessaria una sorgente di raggi X completamente differente per spiegare quello che stavamo osservando”.

Una spiegazione per questa nuova sorgente di raggi X potrebbe essere il fatto che i detriti in espansione abbiano generato un’onda d’urto impattando con il materiale circostante, che si è riscaldato a milioni di gradi. Una spiegazione alternativa è che i raggi X provengano dal materiale in caduta verso un buco nero che si è formato dopo la fusione delle due stelle di neutroni. Per capire quale sia lo scenario più probabile, gli astronomi continueranno a monitorare GW170817 in banda X e radio. Lo studio è pubblicato su The Astrophysical Journal Letters.

Nell’immagine rappresentazione artistica dei detriti derivanti dalla kilonova (in blu) circondati da onde d’urto mostrate in arancio e rosso. La radiazione X potrebbe provenire da materiale in caduta verso un buco nero derivante dalla fusione. Questo materiale è rappresentato nel piccolo disco al centro dell’immagine. I due grandi archi blu al di sopra e al di sotto della kilonova mostrano il materiale su cui ha impattato il getto derivante dalla fusione.
Credit: X-ray: NASA/CXC/Northwestern Univ./A. Hajela et al.; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

https://chandra.harvard.edu/photo/2022/gw170817/

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