Per la prima volta è stato registrato sulla Terra un debole segnale causato dalla fusione di due oggetti quasi ugualmente misteriosi: un buco nero e una stella di neutroni.
Il 5 gennaio 2020, le onde gravitazionali da questa fusione hanno raggiunto il rivelatore Livingston dell’osservatorio di onde gravitazionali dell’interferometro laser (Ligo) in Louisiana, negli Stati Uniti.
Il 15 gennaio è stato scoperto il secondo evento di onde gravitazionali derivante dalla fusione tra un buco nero e una stella di neutroni, le stelle più dense dell’universo.
Queste due registrazioni sono le prime fusioni tra un buco nero e una stella di neutroni rilevate sulla Terra. I sistemi binari buco nero-stella di neutroni, in cui un buco nero e una stella di neutroni orbitano l’un l’altro, erano stati previsti ma mai osservati, fino ad ora.
Le onde gravitazionali sono distorsioni nello spazio-tempo, previste dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein.
In un osservatorio di onde gravitazionali, la distanza tra due specchi sospesi viene misurata con un laser. La tecnica di misurazione si basa sulla sovrapposizione della luce laser riflessa all’interno dell’esperimento. Due onde luminose sono disposte in modo che i segnali si annullino esattamente a vicenda. La modifica della distanza tra gli specchi anche di una piccola frazione di lunghezza d’onda produce un segnale luminoso misurabile.
L’idea alla base della teoria della relatività è che lo spazio stesso possiede una sorta di struttura elastica, anche in assenza di materia. Simile a un palloncino gonfiato, puoi schiacciarlo in un modo e si espande nella direzione perpendicolare.
La relatività prevede che la materia distorca lo spazio (e il tempo) e una collisione tra due oggetti massicci come un buco nero e una stella di neutroni cambia rapidamente la compressione e il rilassamento dello spazio nelle vicinanze degli oggetti. Vengono emesse onde di compressione ed espansione periodiche. Il modo per misurare queste onde è monitorare la distanza tra due oggetti altrimenti fissi, perché l’onda gravitazionale cambierà periodicamente l’estensione dello spazio tra questi oggetti, mentre passa.
Durante il primo evento di onde gravitazionali mai rilevato nel 2015, per il quale tre fisici hanno ricevuto il premio Nobel nel 2017, le distanze tra gli specchi nelle due stazioni dell’osservatorio LIGO, che distano 4 km l’una dall’altra, sono cambiate di circa un millesimo di trilionesimo di millimetro.
La fusione rilevata nel 2015 era tra due buchi neri relativamente massicci, ciascuno circa 30 volte la massa del Sole. Da allora, la sensibilità dello strumento è stata migliorata. Ora anche un osservatorio di onde gravitazionali più piccolo e meno sensibile in Italia, chiamato esperimento Virgo, viene spesso utilizzato come parte della rete di telescopi.
Nelle nuove scoperte, gli oggetti che si fondono avevano ciascuno meno di dieci volte la massa del Sole. L’evento del 5 gennaio ha coinvolto oggetti con rispettive masse di 8,9 e 1,9 volte la massa del Sole, e la fusione del 15 gennaio è avvenuta tra oggetti con 5,7 e 1,5 volte la massa del Sole.
Stelle di neutroni
È importante che le masse più piccole fossero inferiori a 2,2 volte la massa del Sole, perché questo suggerisce che questi oggetti fossero stelle di neutroni. Le stelle di neutroni sono così dense che una quantità di materia paragonabile al sistema solare viene compressa in un diametro di circa 20 km.
La materia in una stella di neutroni è così densa che gli atomi vengono schiacciati, con conseguente formazione di neutroni. La forte gravità sulla loro superficie li rende, di per sé, laboratori interessanti per studiare gli effetti della relatività generale.
Quando una stella di neutroni diventa ancora più massiccia, ad esempio quando un gas interstellare cade su di essa, le forze nucleari non possono più resistere alla gravità e la stella collassa in un buco nero, un oggetto così compatto che nemmeno la luce può resistere alla sua attrazione gravitazionale.
Stelle di neutroni e buchi neri non sono così rari nella Via Lattea. Sono un risultato comune dell’evoluzione di stelle significativamente più massicce del Sole. Stelle così massicce si verificano spesso in sistemi binari, con due stelle che orbitano l’una intorno all’altra.
Non è sorprendente trovare stelle di neutroni e buchi neri in sistemi binari, dove sono bloccati in una danza gravitazionale. Tali sistemi binari emettono onde gravitazionali per tutta la loro vita.
Sistemi binari
L’energia per le onde gravitazionali deriva dal movimento degli oggetti l’uno intorno all’altro. Quando il sistema emette onde gravitazionali, gli oggetti si avvicinano. Questo fa aumentare l’emissione dell’onda gravitazionale e, infine, i due si fondono in un nuovo buco nero più grande, con un’esplosione di emissione di onde gravitazionali. Questo è ciò che è rilevabile sulla Terra.
Anche se ci si aspettava che esistessero sistemi di stelle di neutroni-buco nero, non eravamo mai stati in grado di individuarli prima. Le stelle di neutroni emettono emissioni radio e di raggi X, che ora possono essere rilevate regolarmente. Oltre a cercare le onde gravitazionali, i buchi neri possono essere osservati solo quando qualcosa cade al loro interno, ad esempio una stella o un gas interstellare.
Se un buco nero ha una normale compagna stellare, può catturare massa dalla compagna, questo le fa emettere raggi X prima che scompaia all’innterno del buco nero. I buchi neri binari non hanno una fonte ovvia di gas e sono noti solo da esperimenti sulle onde gravitazionali.
Un sistema stella di neutroni-buco nero potrebbe in linea di principio essere scoperto con i radiotelescopi, ma – finora – la ricerca non ha avuto successo. Questa nuova scoperta fornisce importanti informazioni sull’astrofisica di tali sistemi.
Saranno sicuramente fatte altre scoperte, che aiuteranno a migliorare la nostra comprensione di cosa c’è dentro le stelle di neutroni e i buchi neri – e molto probabilmente forniranno anche nuovi test, o prove, della teoria della relatività.
Autore
Martin Krause, Senior Lecturer, University of Hertfordshire
