Il 5 gennaio 2020 un evento cosmico straordinario ha scosso le fondamenta della fisica moderna: le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di un buco nero e una stella di neutroni hanno raggiunto il rilevatore di Livingston del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) in Louisiana, negli Stati Uniti.
Questo evento ha segnato la prima volta che un segnale debole generato dalla fusione di due oggetti quasi altrettanto misteriosi – un buco nero e una stella di neutroni – è stato registrato sulla Terra. Ma cosa accade davvero quando queste enigmatiche entità si scontrano nell’universo?
Il mistero delle onde gravitazionali
Le onde gravitazionali sono distorsioni nello spazio-tempo, previste dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein. Nell’osservatorio delle onde gravitazionali, la distanza tra due specchi sospesi viene misurata con un raggio laser. La tecnica di misurazione si basa sull’interferenza della luce riflessa nell’esperimento. Due onde luminose vengono disposte in modo che i segnali si annullino esattamente a vicenda. Anche una variazione minima della distanza tra gli specchi, anche di una frazione di lunghezza d’onda, produce un segnale luminoso misurabile.
Teoria della relatività e onde gravitazionali
Secondo la teoria della relatività, lo spazio stesso ha una sorta di struttura elastica, anche in assenza di materia. È simile a un palloncino gonfiato: se lo si comprime in una direzione, si espande in quella perpendicolare.
La relatività predice che la materia deforma lo spazio (e il tempo), e una collisione tra due oggetti compatti come un buco nero e una stella di neutroni cambia rapidamente la compressione e il rilassamento dello spazio nelle vicinanze degli oggetti. Si generano onde periodiche di compressione ed espansione. Il modo per misurare queste onde è monitorare la distanza tra due oggetti altrimenti fissi, perché l’onda gravitazionale cambia periodicamente l’estensione dello spazio tra questi oggetti mentre passa.
L’epoca della rivelazione
L’evento del 2015, quando furono rilevate le prime onde gravitazionali, portò al conferimento del Premio Nobel nel 2017 a tre fisici. Le distanze tra gli specchi nelle due stazioni dell’osservatorio LIGO, distanti 4 km (2,5 miglia) l’una dall’altra, cambiarono di circa un millesimo di un miliardesimo di millimetro.
In seguito, la sensibilità degli strumenti è stata migliorata notevolmente. Ora, anche un osservatorio gravitazionale più piccolo e meno sensibile in Italia, chiamato Virgo, viene frequentemente utilizzato come parte della rete telescopica.
Nuove scoperte e meraviglie cosmiche
Le nuove scoperte hanno rivelato che gli oggetti coinvolti in queste fusioni avevano ciascuno meno di dieci volte la massa del Sole. L’evento del 5 gennaio ha coinvolto oggetti con masse rispettivamente di 8,9 e 1,9 volte quella del Sole, mentre la fusione del 15 gennaio è avvenuta tra oggetti con masse di 5,7 e 1,5 volte quella del Sole.
È significativo notare che le masse inferiori a 2,2 volte quella del Sole suggeriscono che questi oggetti fossero stelle di neutroni. Le stelle di neutroni sono così dense che una quantità di materia paragonabile al sistema solare è compressa in un diametro di circa 20 km.
La materia in una stella di neutroni è così densa che gli atomi vengono schiacciati, dando origine alla formazione di neutroni. La forte gravità sulla loro superficie le rende interessanti laboratori per studiare gli effetti della relatività generale.
Stelle di neutroni e dei buchi neri
Quando una stella di neutroni aumenta ulteriormente di massa, ad esempio quando del gas interstellare vi cade sopra, le forze nucleari non riescono più a 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.
Neutroni e buchi neri non sono così rari nella Via Lattea. Sono un’esito comune dell’evoluzione delle stelle significativamente più massicce del Sole. Queste stelle massicce spesso si trovano in sistemi binari, con due stelle che orbitano l’una attorno all’altra.
Non sorprende, dunque, trovare stelle di neutroni e buchi neri in sistemi binari, dove sono bloccati in una danza gravitazionale. Tali binari emettono onde gravitazionali per tutta la loro vita.
L’energia per le onde gravitazionali deriva dal movimento degli oggetti intorno l’uno all’altro. Man mano che il sistema emette onde gravitazionali, gli oggetti si avvicinano sempre di più. Ciò aumenta l’emissione di onde gravitazionali, e infine i due corpi si fondono in un nuovo buco nero, generando un’intensa emissione di onde gravitazionali rilevabili sulla Terra.
Sebbene fosse atteso l’esistenza di sistemi stella di neutroni-buco nero, non si era mai riusciti a individuarli prima di questi eventi. Le stelle di neutroni emettono emissioni radio e raggi X, che ora possono essere rilevati routine. Al contrario, i buchi neri possono essere osservati solo quando qualcosa vi cade dentro, come ad esempio una stella o del gas interstellare.
Se un buco nero ha un compagno stella normale, può catturare massa dal compagno, che emette raggi X prima di scomparire nel buco nero. I buchi neri binari non hanno una fonte evidente di gas e sono conosciuti solo dagli esperimenti sulle onde gravitazionali.
Un sistema stella di neutroni-buco nero potrebbe in teoria essere scoperto con i radiotelescopi, ma finora la ricerca non è stata fruttuosa. Questa nuova scoperta fornisce importanti informazioni sull’astrofisica di tali sistemi.
Prospettive e futuro della ricerca
Sicuramente seguiranno ulteriori scoperte che contribuiranno a migliorare la nostra comprensione di ciò che si cela all’interno delle stelle di neutroni e dei buchi neri. Questi avvenimenti cosmici potrebbero anche fornire nuovi test o prove della teoria della relatività.
L’osservazione delle fusioni tra buchi neri e stelle di neutroni ha aperto una finestra straordinaria sulla comprensione dei processi cosmici più estremi e misteriosi. La capacità di rilevare e studiare tali fenomeni ci permette di gettare uno sguardo diretto sul cuore stesso dell’universo, permettendoci di comprendere meglio la natura stessa dello spazio, del tempo e della materia.
L’avvento delle tecnologie di rilevamento sempre più sofisticate nei prossimi anni promette di svelare ulteriori segreti dell’universo, offrendoci un’immagine sempre più chiara e dettagliata di questi enigmatici eventi cosmici che ci circondano.
