Osservata per la prima volta la collisione tra due stelle di neutroni

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La traccia gravitazionale precede di poco il segnale Gamma rilevato da Fermi e INTEGRAL

Per la prima volta, gli scienziati hanno rivelato sia onde gravitazionali (increspature dello spazio-tempo) che segnali luminosi dalla spettacolare collisione di due stelle di neutroni. Mai in precedenza un evento cosmico era stato osservato sia con le onde gravitazionali che con la luce. La scoperta è stata fatta utilizzando il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti, il rivelatore Virgo in Europa, e circa 70 osservatori a terra e nello spazio. Allo studio hanno partecipato ricercatori della SNS: la Dr.ssa Barbara Patricelli e il Dr. Antonio Stamerra, anche ricercatore dell’Istituto di Astrofisica italiana (INAF). 

Le stelle di neutroni sono le più piccole e dense stelle conosciute e si formano quando stelle di grandi dimensioni esplodono in supernovae. Mentre queste due stelle di neutroni spiraleggiavano l’una intorno all’altra, hanno emesso onde gravitazionali che sono state rilevabili per circa 100 secondi; quando si sono fuse, un lampo di luce sotto forma di raggi gamma è stato emesso e visto dalla terra circa due secondi dopo le onde gravitazionali. Nei giorni e nelle settimane che hanno seguito la collisione, altre forme di luce, o radiazione elettromagnetica (inclusi raggi X, ultravioletti, visibili, infrarossi e onde radio), sono state rilevate. Le osservazioni hanno dato agli astronomi un’opportunità senza precedenti per studiare la collisione di due stelle di neutroni. Per esempio, le osservazioni fatte dall’Osservatorio Gemini statunitense, dal telescopio VLT europeo e dal telescopio Hubble della NASA rivelano segni di materiali prodotti di recente, inclusi oro e platino, risolvendo un mistero vecchio di decine di anni riguardo a dove si producano circa la metà di tutti gli elementi chimici più pesanti del ferro.

Lo spettro della Kilonova

Il segnale gravitazionale, battezzato GW170817, è stato inizialmente rivelato il 17 agosto; la rivelazione è stata fatta dai due strumenti gemelli di LIGO, situati a Hanford, nello stato di Washington, e a Livingston, in Luisiana. L’informazione fornita dal terzo rivelatore, Virgo, situato nei pressi di Pisa, in Italia, ha permesso un miglioramento nella localizzazione dell’evento cosmico. Il lampo di raggi gamma è stato rivelato dal satellite Fermi, e confermato poco dopo dall’osservatorio di raggi gamma INTEGRAL dell’Agenzia Spaziale Europea. Si tratta di quello che viene definito uno “short gamma-ray burst” (lampo breve di raggi gamma); le nuove osservazioni confermano che almeno alcuni short gamma-ray burst sono generati dalla fusione di stelle di neutroni, cosa fino a adesso solo teorizzata.

Ci spiega Barbara Patricelli che: “i modelli teorici predicono che la collisione di due stelle di neutroni sia accompagnata, oltre che dai gamma ray bursts, anche dalla “kilonova”: un fenomeno per mezzo del quale il materiale residuo dallo scontro di due stelle di neutroni viene espulso dalla regione circostante nello spazio profondo. Le nuove osservazioni mostrano che elementi pesanti come oro e platino vengono creati durante queste collisioni e successivamente distribuiti nell’universo e forniscono la prima chiara identificazione di una kilonova.” Queste osservazioni offrono per la prima volta una descrizione completa e sequenziale dei processi fisici relativi alla coalescenza di sistemi binari di stelle di neutroni, e una conferma di quanto in precedenza era stato previsto solo teoricamente. I risultati ottenuti con questa campagna osservativa hanno dimostrato l’importanza di effettuare osservazioni congiunte di onde gravitazionali e elettromagnetiche e segnano l’inizio di una nuova era nell’astronomia multi-messaggero.

Il modello della Kilonova

Ed è proprio nell’ambito dell’astronomia multi-messaggero che Barbara Patricelli, che è da alcuni anni membro della collaborazione Virgo nel gruppo dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Pisa, sta attualmente guidando uno studio sulla ricerca di controparti elettromagnetiche di onde gravitazionali presso la SNS nell’ambito del progetto “Electromagnetic Follow-up of Gravitational Wave Sources: Identification and Characterization of their Counterparts via Multi-Wavelength Observations”, di cui il Dr. Stamerra è il coordinatore. Il progetto SNS dedicato alle onde gravitazionali si svolge con la collaborazione nel progetto GRAWITA di INAF e si prefigge di determinare le condizioni per osservare l’emissione gamma di alta energia, in particolare con i telescopi come MAGIC (https://magic.mpp.mpg.de) e con il futuro Osservatorio CTA (Cherenkov Telescope Array, https://www.cta-observatory.org).

 

 

Il Dr. Antonio Stamerra ha così commentato commentato la scoperta: “l’enorme sforzo collettivo della comunità astronomica con la collaborazione  LIGO-Virgo ha mostrato le potenzialità del coordinamento degli osservatori per lo studio dei transienti e per la nuova astronomia multi-messaggero. Un esempio da seguire e sviluppare nel futuro, quando i grandi osservatori raccoglieranno enormi quantità di dati sui transienti. La prossima sfida che ci attende è osservare l’eventuale emissione di raggi gamma di altissima energia, e così verificare in quali condizioni si innescano i processi più  estremi di accelerazione di particelle, confrontandoli con quelli già noti in altri oggetti, come pulsar, supernove, o nuclei galattici attivi.”

Simulazione della coalescenza tra due stelle di neutroni. Credit: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla

Il primo articolo scientifico (LINK ) a proporre una stretta associazione tra i gamma ray bursts e la coalescenza di stelle di neutroni binarie, rilevabile tramite onde gravitazionali, si deve ad un ex professore della SNS, Mario Vietri, che più di 20 anni fa ha proposto che le ultime fasi del processo di coalescenza creassero le condizioni giuste per la formazione di un gamma ray burst. Infatti durante il processo di fusione l’ambiente circostante ogni stella di neutroni è quasi privo di materia, il che implica che molta dell’energia sia rilasciata nella regione a raggi gamma dello spettro, anziché nella regione ottica come avviene attorno alle SuperNovae. Una conseguenza immediata del modello è allora che l’emissione di onde gravitazionali e di fotoni sia fondamentalmente simultanea, esattamente come rilevato perGW170817.

Autore: Marcos Valdes

Referenze scientifiche

  • Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), PRL 119, 161101 (DOI:10.1103/PhysRevLett.119.161101)
  • B. P. Abbott et al., “Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger”, ApJL (2017). doi:10.3847/2041-8213/aa91c9
  • Pian, E., et al. 2017, “Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double NS merger”, Nature (2017) (doi: 10.1038/nature24298)