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La prima luce che accompagna un’onda gravitazionale

Il 17 agosto 2017, deboli increspature nel tessuto dello spazio-tempo conosciute come onde gravitazionali si sono infrante sulla Terra. A differenza delle onde gravitazionali rilevate in precedenza, queste sono state accompagnate da una emissione di luce, consentendo agli astronomi di individuarne la fonte. Il telescopio spaziale Hubble della NASA ha puntato il suo potente sguardo sul nuovo faro, ottenendo sia immagini che spettri. I dati risultanti aiuteranno a rivelare i dettagli della collisione titanica che ha creato le onde gravitazionali e le sue conseguenze.

L’interferometro laser per onde gravitazionali (LIGO) ha rilevato onde gravitazionali alle 8:41 EDT il 17 agosto. Due secondi dopo, il telescopio spaziale per raggi gamma Fermi della NASA ha misurato un breve impulso di raggi gamma noto come gamma ray burst (GRB). A distanza di alcune ore dalla rilevazione iniziale di Fermi, il detector Virgo presso l’Osservatorio Gravitazionale Europeo di Pisa, Italia, incrocia i dati con le proprie rilevazioni di onde gravitazionali e restringe notevolmente la zona di cielo in cui cercare la sorgente. In meno di 12 ore, quindi, si riesce a trovare una nuova sorgente ottica e infrarossa, sotto forma di minuscolo puntino nella galassia in NGC 4993.

In una galassia lontana chiamata NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, è comparso un punto di luce dove non c’era prima. La sua luminosità lo ha collocato oltre le novae, ma non abbastanza potente per essere una supernova. Gli astronomi lo hanno quindi collocato in una classe di oggetti che gli astronomi chiamano “kilonovae”. Nel corso di sei giorni di osservazioni con il telescopio spaziale Hubble, l’oggetto si è notevolmente affievolito.

“Questo sembra essere il terno al lotto che la comunità astronomica aspettava da tempo: onde gravitazionali, un lampo di raggi gamma ed una kilonova che succedono insieme”, ha dichiarato Ori Fox dell’Istituto di Scienze Telescopiche dello Spazio, Baltimore, Maryland.

La fonte di tutti e tre i fenomeni è stata la collisione di due stelle di neutroni, ovvero i resti invecchiati di un sistema binario. Una stella di neutroni si forma quando il nucleo di una stella massiccia morente collassa, un processo così violento che schiaccia i protoni e gli elettroni insieme per formare particelle subatomiche chiamate neutroni. Il risultato è come un nucleo atomico gigante, risultato del compattamento di alcune masse solari in una palla di pochi chilometri di diametro!

Nella galassia NGC 4993, dunque, due stelle di neutroni stavano orbitando una attorno all’altra ad una velocità folle. Mentre si avvicinavano sempre di più e sempre più velocemente, ruotando come un frullatore vicino alla fine. Le potenti forze di marea facevano a pezzi le due stelle straziandole, mentre il resto si è scontrato e fuso, formando una stella più grande di neutroni o forse un buco nero. I residui si sono sparpagliati nello spazio. Liberati dalla pressione che c’era dentro la stella, i neutroni si sono riconvertiti in protoni ed elettroni, formando una serie di elementi chimici più pesanti del ferro.

“Noi pensiamo che le collisioni tra stelle di neutroni siano una fonte importante di tutti i tipi di elementi pesanti, dall’oro nei nostri gioielli al plutonio che alimenta i veicoli spaziali, le centrali elettriche e le bombe”, ha dichiarato Andy Fruchter dell’Istituto di scienze spaziali di Space Telescope.

Molte squadre di scienziati stanno usando la suite di fotocamere e spettrografi di Hubble per studiare la sorgente d’onda gravitazionale. Fruchter, Fox ed i loro colleghi hanno utilizzato Hubble per ottenere uno spettro dell’oggetto in luce infrarossa. Scomponendo la luce della fonte in uno spettro, gli astronomi possono sondare gli elementi chimici presenti. Lo spettro ha mostrato numerose tracce che dimostrano la formazione di alcuni degli elementi più pesanti della natura.

“Lo spettro sembrava esattamente come i fisici teorici avessero predetto l’esito della fusione di due stelle di neutroni. Ciò ha collegato  questo oggetto alla sorgente d’onda gravitazionale, oltre ogni ragionevole dubbio”, ha dichiarato Andrew Levan all’Università di Warwick di Coventry, in Inghilterra, che ha guidato una delle proposte di osservazioni spettrali Hubble.

Le linee spettrali possono essere utilizzate come impronte digitali per identificare singoli elementi. Tuttavia, l’interpretazione di questo spettro si sta dimostrando una sfida.

“Oltre al fatto che due stelle di neutroni hanno scagliato molta materia nello spazio, non siamo ancora sicuri di che altro lo spettro ci stia dicendo”, ha spiegato Fruchter. “Poiché il materiale si muove così velocemente, le linee spettrali sono sparpagliate. Inoltre, ci sono tutti i tipi di isotopi insoliti, molti dei quali sono di breve durata e subiscono un decadimento radioattivo. La buona notizia è che si tratta di uno spettacolo squisito, quindi abbiamo molti dati per lavorare e analizzare “.

Hubble ha anche raccolto la luce visibile dall’evento che si è svanita gradualmente nel corso di diversi giorni. Gli astronomi ritengono che questa luce sia venuta da un potente “vento” di materiale diretto verso l’esterno. Queste osservazioni suggeriscono che gli astronomi abbiano visto la collisione da sopra il piano orbitale delle stelle di neutroni. Se fosse stato visto di lato (nel piano orbitale), la materia espulsa durante la fusione avrebbe oscurato la luce visibile e sarebbe stata visibile solamente la luce a infrarossa.

“Quello che vediamo di un kilonova potrebbe dipendere dal nostro angolo di visione. Lo stesso tipo di eventi apparirebbe diverso a seconda che lo stiamo guardando di fronte o di lato”, ha dichiarato Eleonora Troja dell’Università del Maryland, College Park, Maryland e NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland.

La sorgente d’onda gravitazionale ora si trova angolarmente troppo vicina al Sole, quindi Hubble e gli altri osservatori devono prendersi una pausa. Sarà di nuovo in vista in novembre. Fino ad allora, gli astronomi lavoreranno diligentemente per imparare tutto ciò che possono su questo evento unico.

Il lancio del telescopio spaziale James Webb di NASA offrirà anche l’opportunità di esaminare la luce a infrarossi dalla sorgente, se questa  incandescenza rimarrà rilevabile nei mesi e negli anni a venire.

Le onde gravitazionali sono state rilevate direttamente per la prima volta nel 2015 da LIGO, i cui ideatori e realizzatori hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2017.