Ricostruzione in 3D di un buco nero
Un nuovo importante tassello della comprensione dell'universo estremo è stato aggiunto dalla ricerca sulle onde gravitazionali. Le collaborazioni scientifiche Virgo, a cui partecipa l'INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, LIGO e KAGRA hanno infatti dato oggi, 29 giugno, l'annuncio della prima rivelazione di due eventi di onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due sistemi binari misti composti da un buco nero e una stella di neutroni. Il risultato, pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal Letters, fa riferimento a due segnali registrati nel gennaio 2020 e conferma l'esistenza di una classe di fenomeni previsti dagli astrofisici già da diversi decenni, ma fino a oggi mai osservati. Il 5 gennaio 2020, il rivelatore Advanced LIGO di Livingston, Louisiana, negli Stati Uniti, e Advanced Virgo, l'interferometro italiano situato a Cascina, in provincia di Pisa, hanno osservato il primo evento. Solo dieci giorni più tardi, il 15 gennaio, una seconda onda gravitazionale, analoga alla prima, è stata rivelata da entrambi gli interferometri Advanced LIGO, e ancora una volta da Advanced Virgo. In entrambi i casi, la forma del segnale registrato ha reso possibile la sua attribuzione a un evento di coalescenza che ha coinvolto un buco nero e una stella di neutroni, i quali, al termine di un vorticoso balletto cosmico di avvicinamento che li ha visti ruotare l'uno intorno all'altro, si sono fusi in singolo corpo celeste estremamente compatto.
«Questa scoperta è un'altra gemma nel tesoro rappresentato dalla terza serie di osservazioni condotte da LIGO-Virgo», afferma Giovanni Losurdo, coordinatore internazionale di Virgo e ricercatore dell'INFN. «LIGO e Virgo continuano a svelare eventi catastrofici mai osservati finora, contribuendo a far luce su un paesaggio cosmico finora inesplorato. Ora stiamo aggiornando i rivelatori con l'obiettivo di guardare ancora più lontano nel cosmo, per una comprensione più profonda dell'universo in cui viviamo», conclude Losurdo. I segnali, denominati GW200105 e GW200115 - codici che identificano anno, mese e giorno dell'osservazione dell'onda gravitazionale (GW) -, hanno fornito importanti informazioni sulle caratteristiche fisiche dei sistemi che li hanno emessi, come le masse delle sorgenti primarie e la distanza di queste ultime rispetto al nostro pianeta. Le analisi di GW200105 hanno infatti mostrato come le masse del buco nero e della stella di neutroni a esso associati fossero, rispettivamente, circa 8,9 e 1,9 volte quella del nostro Sole, consentendo inoltre di stabilire che la loro fusione è avvenuta 900 milioni di anni fa. Per quanto riguarda il secondo segnale, gli scienziati delle collaborazioni Virgo e LIGO hanno invece stimato che GW200115 sia stato prodotto da due corpi celesti di quasi 5,7 (buco nero) e 1,5 (stella di neutroni) masse solari, entrati in collisione circa un miliardo di anni fa.
Nonostante i valori delle masse rappresentino una evidenza a favore del fatto che quelli osservati siano effettivamente sistemi misti composti da un buco nero e una stella di neutroni, in quanto rientrano nell'intervallo previsto dai modelli teorici di evoluzione stellare, i due segnali sono contraddistinti da una significatività statistica differente, solida per GW200115, e più bassa nel caso di GW200105. «Ciò dipende dalla difficoltà di discriminare le informazioni utili dal rumore di fondo nei dati registrati dai rivelatori di onde gravitazionali - spiega Giancarlo Cella, coordinatore dell'analisi dati di Virgo e ricercatore della sezione di Pisa dell'INFN - Quello che facciamo è infatti individuare nella maniera più accurata possibile le proprietà delle sorgenti. Allo stesso tempo, determiniamo qual è la probabilità che il segnale identificato possa essere solo una fluttuazione casuale. Si tratta di operazioni che richiedono competenza e attenzione ai dettagli, oltre a notevoli risorse computazionali».
Le rivelazioni di segnali gravitazionali prodotti dai sistemi misti oggetto dello studio apparso oggi su The Astrophysical Journal Letters non sono state accompagnate da alcuna osservazione di controparti nello spettro elettromagnetico alle alte energie, che avrebbero potuto fornire un'ulteriore prova a favore della natura delle sorgenti coinvolte nei due eventi. Comportamento probabilmente attribuibile alla notevole differenza tra le masse dei buchi neri e quelle delle stelle di neutroni di GW200105 e GW200115, che ha consentito ai primi, più pesanti, di catturare interamente le seconde una volta arrivati in prossimità di queste ultime, senza dare loro la possibilità di disgregarsi emettendo radiazione elettromagnetica. Oltre a fare luce su una classe di fenomeni rari e offrire la possibilità di studiare le leggi fondamentali della fisica in contesti estremi non riproducibili sulla Terra, il risultato delle collaborazioni Virgo, LIGO e KAGRA apre la strada verso la comprensione dei meccanismi responsabili dei fenomeni di fusione di sistemi binari misti. Uno degli scenari ipotizzato dai teorici prevede infatti che tali eventi possano verificarsi in regioni dell'universo contraddistinte da un ambiente estremamente caotico e affollato.
«Questi sistemi sono l'ultimo tassello mancante per ricostruire la demografia delle binarie osservabili da LIGO, Virgo e KAGRA», illustra Michela Mapelli, professoressa all'Università degli Studi di Padova e ricercatrice della sezione INFN di Padova. «Le masse di queste binarie miste e il loro tasso di coalescenza sono consistenti sia con lo scenario di 'evoluzione isolatà che con lo scenario di 'formazione dinamicà in un ammasso stellare giovane o nelle vicinanze di un nucleo galattico attivo. Nel primo caso, il sistema buco nero - stella di neutroni verrebbe dall'evoluzione di una binaria stellare, mentre nel secondo caso sarebbe il risultato di un'interazione ravvicinata tra corpi celesti in un ammasso stellare. Aspettiamo con grande curiosità ulteriori osservazioni di binarie miste, per capire finalmente i loro scenari di formazione.» La Collaborazione Virgo è attualmente composta da circa 700 membri di 126 istituzioni in 15 paesi, principalmente europei (Italia, Francia, Olanda, Germania, Belgio, Irlanda, Grecia, Ungheria, Portogallo, Repubblica Ceca, Polonia). L'Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) ospita il rivelatore Virgo vicino in Italia, a Pisa, ed è finanziato dall'INFN, dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese, e dall'Istituto Nazionale per la Fisica Subatomica olandese (Nikhef)