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Dalla collisione di due stelle di neutroni, lampi gamma, onde gravitazionali e ... tanto oro

A poco più di due anni dalla rilevazione delle onde gravitazionali, il 17 agosto i sensori hanno catturato qualcosa di nuovo, le onde originate dalla collisione tra due stelle di neutroni. Evento catalogato come GW170817.
Se l'osservazione del 2015 fu il coronamento "improvviso" di qualcosa a lungo cercato, nei mesi successivi si inseguì la conferma dei dati attraverso nuove rilevazioni.
Non si trattava di una strada facile quella imboccata dai ricercatori data l'elusività delle onde gravitazionali; onde la cui teorizzazione risale a circa 100 anni fa nell'ambito della relatività generale e come tali (predizione teorica) rimasero nei decenni successivi. Non solo per produrne in quantità sufficiente a sperare di poterle misurare bisognava intercettare il segnale di eventi in grado di liberare una quantità abnorme di energia (su scala stellare) ma si sarebbe dovuto disporre di una strumentazione che per limiti tecnologici e pratici rimase improponibile fino ad un un decennio fa.
Ovviamente entrambe queste condizioni dovevano essere presenti nello stesso momento.
Da un punto di vista teorico l'energia liberata da una supernova poteva produrre onde sufficienti ad essere rilevate. Le supernova sono "catastrofi" sufficientemente frequenti nella nostra galassia (1 ogni 100 anni) quindi apparentemente ideali. Tuttavia l'intensità delle onde prodotte avrebbe di fatto limitato la rilevazione ai soli eventi che fossero avvenuti nelle nostre vicinanze. Se uno pensa all'energia liberata da una supernova e a quanto sia difficile rilevare le onde prodotte, diventa evidente l'elusività di tali onde.
Non è un caso quindi che la scoperta delle onde gravitazionali abbia dovuto attendere un fenomeno energicamente impressionante come la collisione tra due buchi neri e la disponibilità di rilevatori come LIGO e VIRGO.
Vi rimando all'articolo precedentemente apparso su questo blog (--> "Le onde gravitazionali, finalmente") per il resoconto della scoperta. La riproducibilità di tali osservazioni è stata poi confermata grazie alla rilevazione di due nuovi eventi nei mesi successivi.
Dato che l'esistenza delle onde gravitazionali è stata confermata, uno si potrebbe domandare dove stia l'interesse (se  non per gli addetti ai lavori) dell'evento registrato pochi mesi fa.
La nuova osservazione ha una doppia valenza in quanto non solo indica una nuova sorgente di onde gravitazionali (la collisione di due stelle di neutroni), sufficientemente potente da essere rilevata ad una distanza di 130 milioni di anni luce ma fornisce nuovi dettagli su fenomeni elusivi, ancorché diffusi nella volta stellata, come i lampi di raggi gamma (gamma ray burst, da qui in poi GRB) e la formazione di atomi "pesanti".
Eventi di tale portata (collisione di buchi neri o di stelle di neutroni) sono chiaramente più rari di una supernova ma essendo molto più energetici possono essere rilevati anche se originati in altre galassie (quindi a distanze superiori al milione di anni luce). La stima per tali eventi è di circa 100 per milione di anni per galassia. Per avere una idea della capacità analitica (e della potenza associata), l'evento registrato la scorsa primavera è riconducibile alla collisione tra due buchi neri, avvenuta a 3 miliardi di anni luce da noi (--> New York Times, 1/6/2017)

La rilevazione delle onde gravitazionali registrate la scorsa estate è stata comunicata ufficialmente a metà ottobre, dopo settimane di controlli e verifiche, ed è stata attribuita allo scontro di due stelle di neutroni
Una stella di neutroni è il residuo degenere (tale a causa dell'alta densità) di una stella massiccia (superiore a 10 volte il Sole) andata incontro a collasso gravitazionale dopo avere esaurito il carburante nucleare. Per avere un'idea della densità di una stella di neutroni basta pensare che la massa del Sole risulterebbe essere concentrata in una sfera  di 20 km di diametro. Il destino di una stella varia a seconda della massa di partenza; stelle piccole o poco più grandi del Sole non hanno massa a sufficienza perché il collasso produca una instabilità tale da produrre una supernova. Queste stelle termineranno la loro vita dopo la fase di gigante rossa come nane rosse o al più come nane bianche. Nel caso di stelle massicce il collasso successivo alla fase super gigante rossa, genererà un corpo denso con massa superiore al limite di Chandrasekhar (circa 1,4 masse solari); sotto tale limite si forma una nana bianca, sopra tale limite la massa è sufficiente ad innescare una serie di eventi che culminano nella supernova. Quello che avviene dopo la supernova varia a seconda della massa; fino a  circa 3 masse solari, il residuo sarà una stella di neutroni, sopra tale limite (limite di Tolman-Oppenheimer-Volkoff) l'instabilità intrinseca degenererà in un buco nero.

Un sistema binario di due stelle di neutroni, verosimilmente originato dall'invecchiamento di un sistema binario di stelle massicce, non è un evento raro a livello galattico. Sul lungo periodo la loro orbita reciproca può evolvere in una spirale che nelle ultime orbite prima della collisione subisce una accelerata di proporzioni difficili da immaginare (nel caso già visto dei buchi neri si è calcolato che le ultime 5 orbite sono state percorse a velocità pari alla metà della velocità della luce).
Per quanto riguarda le stelle di neutroni (costituite da materia esotica ma più "comprensibile" rispetto a quella dei buchi neri), l'effetto mareale associato alla crescente attrazione gravitazionale, causa la distruzione e/o emissione di materia della stella che viene sparata nello spazio ad una velocità di circa un terzo di quella della luce.
Nell'arco di tempo di 100 secondi (tra superamento della distanza "critica" e impatto) l'energia irradiata ha attivato i sensori di onde gravitazionali e elettromagnetiche (corrispondenti alla luce blu) degli osservatori sulla Terra. Dopo circa 1,7 secondi dal picco registrato di onde gravitazionali è infine comparso un GRB (lampo di radiazione gamma).
I GRB furono scoperti negli anni '50 dagli americani durante le operazioni di monitoraggio alla ricerca di esperimenti nucleari condotti di nascosto dei sovietici. Lungi dal provenire dalla Terra questi improvvisi e temporanei lampi (la cui durata va da pochi millisecondi a qualche secondo) erano di origina extraterrestre, dalla nostra ed altre galassie, ad indicare una potenza originaria incredibile. La teoria infine accettata fu che per generare energie di tale potenza bisognasse cercare eventi come lo scontro di stelle di neutroni.
Dalla triangolazione del segnale ottenuta mediante telescopi ed interferometri, è stato possibile ricavare le coordinate dello "scontro", sito nella galassia NGC4993 (evento GW170817).
Immagini scattate ad intervalli di tempo assemblate in una GIF a mostrare il "brillamento", poi identificato nella collisione tra due stelle di neutroni. Evento avvenuto nella galassia NGC4993
Credit: NASA / ESA

Una ricostruzione delle ultime fasi prima dell'impatto
(credit: NASA/Dana Berry)

Riassumendo di seguito le scoperte (e le conferme) ottenute da questa osservazione:
  1. Le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce.
  2. La correlazione tra onde derivanti dall'impatto e GRB è una conferma della loro origine comune. Una domanda sorge però spontanea: perché ci sono quasi due secondi di differenza tra l'arrivo delle onde gravitazionali e il GRB visto che entrambe viaggiano alla velocità della luce? Non ci sono ancora risposte certe ma tra le ipotesi formulate vi è quella che i lampi gamma originino in una fase immediatamente successiva a quella della collisione. Si ritiene che dalla collisione delle due stelle di neutroni si sia originato un buco nero ed è da questo che scaturisce la "fiammata" di raggi gamma (ricordiamo a tal proposito che i buchi neri non sono vie a senso unico ma sono in grado di emettere radiazione, la radiazione di Hawking).
  3. L'analisi spettroscopica condotta nei 10 giorni successivi ha dimostrato la comparsa di elementi pesanti. Come noto, la nucleosintesi stellare non permette la formazione di nessun elemento più pesante del ferro, in quanto energicamente sfavorevole. Solo le supernova sono in grado di liberare così tanta energia concentrata in pochi istanti, da consentire reazioni di fusione nucleare capaci di formare elementi più pesanti del ferro. Non è una sorpresa quindi scoprire che eventi ben più imponenti di una supernova, come la collisione di due stelle di neutroni, sono eventi più efficienti da un punto di vista della nucleosintesi. Per dare una idea di tale efficienza, si è calcolato che l'energia liberata sia stata sufficiente a generare una quantità di oro (esempio di elemento pesante) pari a 10 volte la massa terrestre. Potrà sembrare improbabile l'immagine mentale di due pianeti fatti solo d'oro ma se rapportate la massa terrestre alla massa teorica di ciascuna stella di neutroni le proporzioni tornano subito a proporzioni affatto rilevanti. Il dato che emerge con forza è l'importanza di questi disastri galattici per "la semina" degli atomi fondamentali non solo per l'esistenza di pianeti rocciosi del tipo terrestre ma, in ultima analisi, anche della vita stessa.
  4. Alcuni numeri in sintesi:
    • Nome evento: GW170817
    • Distanza dalla Terra: 40 megaparsecs (130 milioni di anni luce)
    • Quantità di oro generato dallo scontro (ed emesso nello spazio): circa 10 volte la massa della Terra
    • Durata del segnale onda-gravitazionale: 100 secondi (il più lungo ad oggi osservato)
    • Gruppi di ricerca che hanno collaborato per la rilevazione e analisi dei dati: più di 70, su tutti e 7 i continenti (Antartide quindi inclusa). Per un totale di 3566 autori per l'articolo pubblicato su "The Astrophysical Journal Letters".
In conclusione, onde gravitazionali, origine dei lampi gamma e la formazione di elementi pesanti sono i dati ottenuti (per il momento) grazie alla osservazione dello scontro tra due stelle di neutroni.



Fonti
- Distance and properties of NGC 4993 as the host galaxy of a gravitational wave source, GW170817

- The Distance to NGC 4993: The Host Galaxy of the Gravitational-wave Event GW170817

- The black-hole collision that reshaped physics

- Global networks of small telescopes will chase companion signals of gravitational waves
Davide Castelvecchi, Nature, nov. 2017

- Colliding stars spark rush to solve cosmic mysteries
Davide Castelvecchi, Nature, ott. 2017

- Neutron Stars: Definition & Facts

Il libro di Steven S. Gubser, professore di fisica teorica all'università di Princeton, fornisce un buon materiale divulgativo per riassumere il campo di studi iniziato con la predizioni scaturite dalla teoria della relatività e che comprendono i buchi neri e le onde gravitazionali. A differenza del precedente libro sulla teoria delle stringhe (francamente illeggibile) questo è stato scritto nettamente meglio ed è adatto a chiunque; breve, chiaro e senza requisiti di competenze matematiche.



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