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La fusione di due stelle di neutroni sparge oro e platino nello spazio e i telescopi osservano la prima luce emessa da una sorgente di onde gravitazionali

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Questa rappresentazione artistica mostra due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come chilonova. Un evento raro che dovrebbe produrre sia onde gravitazionali che un lampo di raggi gamma corto. Entrambi questi segnali sono stati osservati il 17 agosto 2017 rispettivamente da LIGO-VIrgo e da Fermi/INTEGRAL. Osservazioni successive con molti telescopi dell'ESO hanno confermato che questo oggetto, nella galassia NGC 4993 a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, è proprio una chilonova. Questi oggetti sono la maggior fonte di elementi chimici pesanti, come oro e platino, nell'Universo. Crediti: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Per la prima volta in assoluto, gli astronomi hanno osservato sia le onde gravitazionali sia la luce (radiazione elettromagnetica) dallo stesso evento, grazie a uno sforzo di collaborazione globale e alla reazione rapida delle strutture dell’ESO e di altri gruppi in tutto il mondo.

Il 17 agosto 2017, l’osservatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) del NSF negli Stati Uniti d’America, insieme con l’Interferometro Virgo in Italia, hanno rilevato onde gravitazionali che hanno raggiunto la Terra. Questo, il quinto evento gravitazionale osservato, è stato chiamato GW170817. Circa due secondi più tardi, due osservatori spaziali, Fermi (il Fermi Gamma-ray Space Telescope) della NASA e INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory) dell’ESA, hanno rilevato un lampo di luce gamma corto dalla stessa area del cielo.

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Questa immagine, ottenuta con lo strumento MUSE montato sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO all’Osservatorio del Paranal in Cile, mostra la galassia NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra. La galassia non ha in sè stranezze particolari, ma contiene qualcosa di mai visto prima, il risultato dell’esplosione di una coppia di stelle di neutroni che si sono fuse, un raro evento noto come chilonova (appena sopra e a sinistra del centro della galassia). La fusione ha prodotto anche onde gravitazionali e raggi gamma, rivelati rispettivamente da LIGO-Virgo e da Fermi/INTEGRAL. Producendo anche lo spettro di ogni punto del campo osservato, MUSE permette di vedere l’emissione del gas incandescente, che qui è mostrato in rosso, con una soprendente forma a spirale.
Crediti: ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir

La rete di osservatori LIGO-Virgo aveva circoscritto la posizione della sorgente all’interno di un’ampia regione del cielo australe, della dimensione di parecchie centinaia di volte la dimensione della Luna piena, che contiene milioni di stelle. Appena scesa la notte in Cile, molti telescopi sono stati diretti verso questa zona di cielo, alla ricerca di un nuovo punto luminoso. Tra questi: VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) e VST (VLT Survey Telescope) dell’ESO all’Osservatorio del Paranal, il telescopio italiano REM (Rapid Eye Mount) installato all’Osservatorio di La Silla dell’ESO, il telescopio LCO da 0,4 metri di diametro all’Osservatorio di Las Cumbres, l’americano DECcam all’Osservatorio Interamericano di Cerro Tololo. Il telescopio Swope da 1 metro di diametro è stato il primo ad annunciare una nuova sorgente di luce, molto vicina alla galassia NGC 4993, una galassia lenticolare nella costellazione dell’Idra, mentre quasi nello stesso momento le osservazioni di VISTA identificavano la stessa sorgente a lunghezze d’onda infrarosse. Mentre la notte scendeva sempre più a ovest sul globo, i telescopi delle Hawaii Pan-STARSS e Subaru si rivolgevano verso la sorgente per vederla evolvere rapidamente.

«Ci sono rare occasioni in cui uno scienziato ha la possibilità di assistere all’inizio di una nuova era», ha commentato Elena Pian, astronoma all’INAF, Italia, e prima autrice di uno degli articoli pubblicati da Nature. «E questo è uno di quei momenti!»

L’ESO ha lanciato una delle più grandi campagne osservative per “target of opportunity” (cioè per oggetti variabili o comunque non noti in precedenza) e molti telescopi dell’ESO o a cui ESO partecipa hanno osservato l’oggetto nelle settimane dopo la scoperta. Il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO, l’NTT (New Technology Telescope), il VST, il telescopio da 2,2 metri dell’MPG/ESO e ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) hanno tutti osservato l’evento e la sua evoluzione successiva in un grande intervallo di lunghezze d’onda. Circa 70 osservatori in tutto il mondo, tra cui il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA, sono stati puntati sulla sorgente.

Le stime di distanza prodotte sia dai dati delle onde gravitazionali che da altre osservazioni sono concordi nel posizionare GW170817 alla stessa distanza di NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra. Ciò rende la sorgente sia l’evento di onde gravitazionali più vicino mai visto finora che uno dei più vicini lampi di luce gamma mai osservato.

Le increspature dello spazio-tempo note come onde gravitazionali vengono create da masse in movimento, ma solo le più intense, prodotte da rapidi cambiamenti della velocità di oggetti molto massicci, sono oggi osservabili. Uno di questi eventi è la fusione di stelle di neutroni, il resto estremamente denso del nucleo collassato di una stella di alta massa: ciò che rimane dopo un’esplosione di supernova. Queste fusioni erano ritenute anche la spiegazione più convincente per spiegare i lampi di luce gamma corti. Un evento esplosivo circa 1000 volte più brillante di una tipica nova – noto perciò come chilonova – è previsto dopo uno di questi lampi gamma.

Questa rappresentazione artistica mostra due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come chilonova. Un evento raro che dovrebbe produrre sia onde gravitazionali che un lampo di raggi gamma corto. Entrambi questi segnali sono stati osservati il 17 agosto 2017 rispettivamente da LIGO-VIrgo e da Fermi/INTEGRAL. Osservazioni successive con molti telescopi dell’ESO hanno confermato che questo oggetto, nella galassia NGC 4993 a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, è proprio una chilonova. Questi oggetti sono la maggior fonte di elementi chimici pesanti, come oro e platino, nell’Universo.
Crediti: University of Warwick/Mark Garlick

Il rilevamento quasi simultaneo di onde gravitazionali e raggi gamma da GW170817 aveva fatto ben sperare che questo oggetto fosse dunque una delle tanto cercate chilonove e le osservazioni con i telescopi dell’ESO hanno mostrato proprietà molto vicine alle previsioni teoriche. Le chilonove sono state proposte più di 30 anni fa, ma questa è la prima osservazione confermata.

Dopo la fusione delle due stelle di neutroni, un’esplosione di elementi chimici pesanti in rapida espansione ha lasciato la chilonova, muovendosi a una velocità pari a un quinto di quella della luce. Il colore della chilonova è passato da molto blu a molto rosso nel corso dei giorni successivi, un cambiamento più rapido di quanto mai osservato in un’esplosione stellare.

«Quando lo spettro è comparso sui nostri schermi, mi sono reso conto che questo è l’oggetto transiente più strano che io abbia mai visto», ha detto Stephen Smartt, che guidava le osservazioni con l’NTT di ESO nell’ambito del programma osservativo ePESSTO (extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects; cioè l’estensione della survey pubblica dell’ESO per l’osservazione spettroscopica di oggetti transienti). «Non avevo mai visto nulla di simile! I nostri dati, insieme a quelli di altri gruppi, hanno dimostrato a tutti che questa non era una supernova o una stella variabile di primo piano, ma qualcosa di veramente notevole».

Gli spettri ottenuti da ePESSTO e dallo strumento X-shooter montato sul VLT suggeriscono la presenza di cesio e tellurio, espulsi dalle stelle di neutroni in fusione. Questi e altri elementi pesanti, prodotti proprio durante la fusione di stelle di neutroni, sarebbero lanciati nello spazio dalla chilonova che segue. Le osservazioni confermano la formazione di elementi più pesanti del ferro per mezzo di reazioni nucleari all’interno di oggetti stellari di alta densità, noti come processi-r di nucleosintesi, o di nucleosintesi con cattura rapida di neutroni, finora solo prevista dalla teoria.

«I dati ottenuti finora collimano perfettamente con le previsioni teoriche. È un vero trionfo per i teorici, una conferma che gli eventi LIGO-Virgo sono assolutamente reali e un successo per l’ESO che è riuscito a raccogliere una tale messe di dati sulla chilonova», aggiunge Stefano Covino, primo autore di uno degli articoli su Nature Astronomy.

«La grande forza dell’ESO è di avere un’ampia gamma di telescopi e strumenti per affrontare rapidamente progetti astronomici complessi e di ampio respiro. Siamo entrati in una nuova era, quella dell’astronomia multi-vettore!» conclude Andrew Levan, primo autore di uno degli altri articoli.

 

 

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franco.folino
Franco Folino è un medico chirurgo, specialista in cardiologia, e un giornalista. Ha iniziato a lavorare come cronista alla fine degli anni settanta, scrivendo articoli per diverse riviste italiane di sport motoristici, e in seguito anche in media televisivi privati, estendendo il suo interesse in altri campi dell’informazione. Ha pubblicato differenti articoli scientifici ed editoriali su prestigiose riviste internazionali. Ha contribuito alla nascita di Newence, diventandone il direttore responsabile dal marzo del 2017.

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