La scenografica fusione di due stelle di neutroni

Nichi D’Amico, presidente INAF

A poche settimane dall’assegnazione del Premio Nobel alla Collaborazione LIGO-VIRGO per la rivelazione delle onde gravitazionali, una delle conseguenze più intriganti della Teoria della Relatività Generale di Einstein, l’ulteriore evento annunciato il 16 ottobre in una affollata batteria di conferenze stampa in tutto il mondo, si manifesta in tutta la sua scenografica bellezza. Un vero e proprio spettacolo pirotecnico, in cui l’Italia gioca un ruolo da protagonista. Si tratta della scoperta dell’emissione di onde gravitazionali associata alla coalescenza di due stelle di neutroni, un evento atteso da tutta la comunità astronomica internazionale, che costituisce una sorta di tassello aureo che completa il quadro di una fenomenologia studiata da diversi anni a tutte le lunghezze d’onda, da terra e dallo spazio.

A prima vista, l’osservazione e lo studio di questi fenomeni, in cui emergono differenze fra le previsioni della Teoria della Gravità di Einstein e quelle della Fisica Classica di Newton, potrebbe sembrare una cosa per specialisti, che poco ha a che fare con la vita quotidiana. In realtà sappiamo che non è così: per esempio, se modellassimo le orbite della costellazione dei satelliti GPS con la meccanica classica, il GPS semplicemente non funzionerebbe. E non è un segreto che la conferma sempre più accurata della Teoria della Gravità di Einstein, a scapito di altre teorie alternative che pure emergono, avrebbe conseguenze cosmologiche rilevanti, conseguenze che hanno a che fare con la nascita, la storia e l’evoluzione dell’Universo.

Nel 1974, la scoperta della prima “pulsar binaria”, premiata poi nel 1993 con il Nobel per la Fisica, indicava inequivocabilmente l’esistenza di due stelle di neutroni, di cui una visibile come “radio pulsar”, che orbitando una intorno all’altra si andavano avvicinando inesorabilmente verso la coalescenza. Il tasso di avvicinamento misurato era esattamente quello previsto dalla Teoria di Einstein, e teneva conto della perdita di energia orbitale, dovuta appunto all’emissione di onde gravitazionali. Onde gravitazionali troppo deboli per essere misurabili da terra durante questa fase dell’evoluzione del sistema binario, ma la stessa teoria prevede che nell’atto finale, la coalescenza, si generi una sorta di esplosione di onde gravitazionali, osservabile coi rivelatori di onde gravitazionali che erano allora in fase di sviluppo, anche fino a distanze ragguardevoli.

Rappresentazione artistica della fusione di stelle di neutroni. Crediti:
University of Warwick/Mark Garlick

Ma quante coalescenze ci si poteva aspettare di rivelare con rivelatori della classe di LIGO e VIRGO? Una all’anno? Una ogni dieci anni? Una ogni cento anni? La questione ovviamente era alquanto rilevante, dati gli ingenti investimenti connessi alla realizzazione di questi impianti.

Nel 2003-2004, un gruppo internazionale di radioastronomi, a guida italiana, scopriva la prima “pulsar doppia”, cioè due stelle di neutroni orbitanti una intorno all’altra, osservabili però entrambe come radio pulsar. In questo caso, il tasso di avvicinamento di queste due stelle era ancora più elevato, indicando che il sistema si trovava in uno stadio molto avanzato della sua evoluzione verso la coalescenza. Gli autori dei due articoli apparsi su Nature e Science, poi premiati nel 2005 con il Premio Europeo Cartesio, stimarono in base a considerazioni statistiche che la scoperta implicava un “tasso cosmico” di coalescenze molto più elevato di quanto non si fosse stimato in precedenza, prevedendo che LIGO e VIRGO, una volta in funzione, avrebbero osservato esplosioni del genere su tempi scala dell’ordine di una ogni anno, il che ovviamente costituiva un forte incentivo a procedere con la messa a punto dei due impianti.

Nel frattempo, un’altra branca dell’astronomia moderna, l’astrofisica delle alte energie, faceva passi da gigante nello studio di fenomeni associati a questi eventi di coalescenza: i cosiddetti “Gamma Ray Burst” (GRB), lampi di emissione di raggi gamma, in cui è stato determinate il contributo del satellite scientifico italiano “BeppoSAX”, frutto di una collaborazione fra la comunità astronomica italiana, che da alcuni anni è confluita nell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). I contributi fondamentali di BeppoSAX a questa tematica furono premiati con il Premio Bruno Rossi nel 1998 e il Premio Shaw nel 2011. Altri contributi fondamentali sono stati dati anche dal satellite italiano AGILE, frutto anche questo della collaborazione con l’ASI, e premiato anch’esso con il Premio Bruno Rossi nel 2012, e dal satellite INTEGRAL, frutto di una collaborazione fra l’INAF, l’ASI e l’Agenzia Spaziale Europea (ESA), che in questi giorni celebra i suoi 15 anni di successi in una Conferenza a Venezia, e che fra l’altro è stato coinvolto nel follow-up dell’evento annunciato il 16 ottobre.

Questa immagine composita mostra la galassia NGC 4993 osservata da numerosi telescopi e strumenti dell’ESO, che rivelano una debole sorgente di luce vicina al centro della galassia. Crediti: VLT/VIMOS, VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM

Ma le immagini più spettacolari di questi fenomeni sono quelle che si ricavano dalle osservazioni nella banda visibile, con le quali possiamo effettivamente affermare di avere “visto” per la prima volta una sorgente di onde gravitazionali. L’INAF, oltre che essere molto attivo nelle osservazioni a raggi X e gamma da satellite, dispone di importanti impianti astronomici da terra, sia di sua proprietà che in compartecipazione con altre istituzioni. Le ricercatrici e i ricercatori dell’INAF hanno raccolto e analizzato, grazie al telescopio REM (Rapid Eye Mount) e quelli dell’ESO VST (VLT survey telescope) e VLT, una preziosissima messe di informazioni su questo evento. Al momento della collisione, gran parte della massa delle due stelle di neutroni si è fusa in un oggetto densissimo, emettendo una “palla di fuoco” di raggi gamma. Ciò che segue questa palla di fuoco iniziale è una “kilonova”, osservabile appunto nella banda visibile in tutta la sua spettacolare scenografia: un fenomeno durante il quale il materiale rilasciato dalla collisione delle stelle di neutroni viene lanciato violentemente lontano nello spazio, generando la fusione di elementi pesanti, come l’oro e il platino.

Fonte di una serie di articoli in stampa in questi giorni sulle prestigiose riviste Nature e Science, questi risultati pongono l’INAF in primo piano, per avere ottenuto le prime fotografie di una sorgente di onde gravitazionali. Nei tre aspetti complementari di questo ambizioso fronte ricerca e dell’innovazione, quali la fisica fondamentale, con VIRGO e l’INFN; l’astrofisica con l’INAF e i suoi grandi impianti; l’aerospazio con l’ASI e le sue missioni con ESA e NASA, il Paese dimostra oggi di possedere una potenza di fuoco senza precedenti, una potenza di fuoco che offriamo ai nostri concittadini, ai contribuenti, e soprattutto ai giovani, affinché possano cimentarsi in questo affascinante percorso della conoscenza.

Fonte: La scenografica fusione di due stelle di neutroni