La collaborazione LIGO-Virgo ha osservato un segnale di onde gravitazionali che potrebbe essere stato generato da un fenomeno mai osservato prima: la fusione di un buco nero e di una stella di neutroni. Se confermato, l’evento aggiungerebbe nuove informazioni sulla fisica dei sistemi binari nel cosmo
di Davide Castelvecchi/Nature
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Le onde gravitazionali potrebbero aver appena permesso il primo avvistamento di un buco nero che divora una stella di neutroni. Se confermato, sarebbe la prima prova dell’esistenza di sistemi binari di questo tipo. La notizia è arrivata il giorno dopo che gli astronomi hanno rilevato le onde gravitazionali dalla fusione di due stelle di neutroni per la seconda volta.

Alle 15:22:17 UTC del 26 aprile (17:22:17 ora italiana), i rivelatori gemelli del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti, e l’osservatorio Virgo, in Italia, hanno riportato una raffica di onde di tipo insolito. Gli astronomi stanno ancora analizzando i dati ed effettuando simulazioni al computer per interpretarli. Ma stanno già considerando l’allettante prospettiva di aver fatto una scoperta a lungo sperata che potrebbe produrre una grande quantità di informazioni sul cosmo, da test precisi sulla teoria generale della relatività alla misurazione del tasso di espansione dell’universo. Astronomi in tutto il mondo stanno anche gareggiando per osservare il fenomeno con diversi tipi di telescopi.

“Penso che la classificazione sia orientata verso una fusione tra una stella di neutroni e un buco nero”, afferma Chad Hanna, membro senior del gruppo di analisi dei dati di LIGO e fisico della Pennsylvania State University a University Park.

Il segnale però non era molto forte, il che significa che potrebbe essersi trattato di una fluttuazione casuale. “Ritengo che ci siano motivi per entusiasmarsi, ma occorre anche essere consapevoli che la significatività è molto più bassa” rispetto a molti eventi precedenti, dice Hanna. In passato LIGO e Virgo avevano catturato le onde gravitazionali – deboli increspature nel tessuto dello spazio-tempo – emesse da due tipi di eventi catastrofici: fusioni di due buchi neri e di due stelle di neutroni. Questi ultimi sono oggetti piccoli ma ultra-densi, che si formano dopo il collasso di stelle più massicce del Sole.

L’ultimo evento, indicato provvisoriamente con la sigla #S190426c, sembra essersi verificato intorno a 375 megaparsec (1,2 miliardi di anni luce) di distanza da noi, secondo i calcoli del gruppo LIGO-Virgo. I ricercatori hanno tracciato una “mappa del cielo”, che mostra dove le onde gravitazionali hanno più probabilità di essere state generate, e hanno inviato queste informazioni in forma di allerta pubblica, in modo che gli astronomi di tutto il mondo potessero iniziare a cercare nel cielo la luce dell’evento. Confrontare le onde gravitazionali con altre forme di radiazione in questo modo può produrre molte più informazioni sull’evento rispetto a qualsiasi altro tipo di dati considerati da soli.

Mansi Kasliwal, astrofisica del California Institute of Technology di Pasadena, guida uno dei numerosi progetti ideati per questo lavoro di follow–up, chiamato Global Relay of Observatories Watching Transients Happen (GROWTH). Il suo gruppo può comandare telescopi robotici in tutto il mondo. In questo caso, i ricercatori ne hanno immediatamente avviato uno in India, dove era notte quando sono arrivate le onde gravitazionali. “Se il meteo è favorevole, penso che in meno di 24 ore dovremmo avere una copertura su quasi tutta la mappa del cielo”, dice.

Due in uno
Gli astronomi stavano già lavorando alacremente quando hanno avvistato la potenziale fusione tra un buco nero e una stella di neutroni. Alle 08:18:26 UTC (10:18:26 ora italiana) del 25 aprile, un altro treno di onde aveva colpito il rivelatore di LIGO a Livingston, in Louisiana, e quello di Virgo. (In quel momento, il secondo apparato di LIGO, ad Hanford, nello Stato di Washington, era temporaneamente fuori uso).

Quell’evento è stato un caso lampante di due stelle di neutroni che si fondono, dice Hanna, quasi due anni dopo la prima scoperta storica di un evento del genere, effettuata nell’agosto 2017. Di solito i ricercatori possono prendere queste decisioni perché le onde rivelano le masse degli oggetti coinvolti: ci si aspetta che un oggetto con una massa circa doppia rispetto al Sole sia una stella di neutroni. Sulla base dell’ampiezza delle onde, i ricercatori hanno anche stimato che la collisione è avvenuta a circa 150 megaparsec (500 milioni di anni luce) di distanza da noi, dice Hanna, cioè circa tre volte più lontano rispetto alla fusione del 2017. Iair Arcavi, astrofisico dell’Università di Tel Aviv che lavora all’Osservatorio di Las Cumbres, uno dei concorrenti di GROWTH, era a Baltimora, in Maryland, per partecipare a una conferenza intitolata Enabling Multi-Messenger Astrophysics (EMMA): l’astrofisica multimessaggera è la pratica di osservare questi eventi su più lunghezze d’onda. L’allerta dell’evento del 25 aprile è arrivata alle 5:01 del mattino. “Il sistema era configurato in modo da inviarmi in automatico un messaggio di testo, e così mi sono svegliato”, dice.

Una tempesta di attività ha travolto l’incontro, con astronomi di solito in competizione tra loro che si scambiavano informazioni seduti con i loro computer portatili ai tavolini del caffè. “Stiamo impazzendo qui a #EMMA2019”, ha twittato l’astronomo Andy Howell.

Ma in questo caso, a differenza di molti altri, LIGO e Virgo non erano in grado di restringere significativamente la direzione nel cielo da cui provenivano le onde. I ricercatori potevano solo dire che il segnale proveniva da un’ampia regione che copre circa un quarto del cielo. Il giorno dopo hanno leggermente ristretto la regione.

Tuttavia, gli astronomi avevano strumenti ben calibrati per fare solo questo tipo di ricerca, e i dati raccolti la notte seguente alla fine dovrebbero rivelare la sorgente, dice Kasliwal. “Se si trovava in quella regione, allora non ce la siamo persa”.

Nella fusione di stelle di neutroni del 2017, la combinazione di osservazioni su diverse lunghezze d’onda ha prodotto una quantità stupefacente di scienza. Due secondi dopo l’evento, un telescopio in orbita ha rilevato un lampo di raggi gamma, presumibilmente prodotto quando la stella fusa è collassata in un buco nero. E altri 70 osservatori sono stati impegnati per mesi nell’osservare l’evento in tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi X.

Se l’evento del 26 aprile non è una fusione di una stella di neutroni con un buco nero, allora probabilmente è una collisione tra stelle di neutroni, il che porterebbe a tre le rilevazioni complessive di questo tipo.

Un sistema cercato a lungo
Ma vedere un buco nero spazzare via una stella di neutroni potrebbe produrre una ricchezza di informazioni come nessun altro tipo di evento, dice B. S. Sathyaprakash, fisico teorico di LIGO alla Pennsylvania State University. Per cominciare, conferma che questi sistemi a lungo cercati esistono, e che hanno origine da stelle binarie di masse molto diverse tra loro.

E le orbite che i due oggetti tracciano nelle fasi finali del loro approccio potrebbero essere piuttosto diverse da quelle viste con coppie di buchi neri. Nel caso di un buco nero e di una stella di neutroni, il buco nero, più massiccio, distorcerebbe lo spazio che ha attorno mentre ruota. “La stella di neutroni si muoverebbe su un’orbita sferica invece che su un’orbita quasi circolare”, afferma Sathyaprakash. Per questo motivo, “i sistemi buco nero-stella di neutroni possono essere i più potenti banchi di prova per la relatività generale”, dice.

Inoltre, le onde gravitazionali e le osservazioni complementari degli astronomi potrebbero rivelare che cosa succede nelle fasi finali prima della fusione. Mentre le forze mareali fanno a pezzi la stella di neutroni, le onde gravitazionali possono aiutare gli astrofisici a risolvere un mistero di vecchia data: in quale stato si trova la materia dentro questi oggetti ultra-compatti.

La collaborazione tra LIGO e Virgo ha iniziato la sua attuale sessione di osservazioni il 1° aprile e prevedeva di osservare più o meno una fusione tra buchi neri a settimana e una tra stelle di neutroni ogni mese. Finora queste previsioni si sono rivelate corrette: gli osservatori hanno anche visto diverse fusioni tra buchi neri questo mese. “È semplicemente incredibile”, afferma Kasliwal. “L’universo è fantastico.”

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Nature” il 26 aprile 2019. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)