Abbiamo assistito a un nuovo spettacolare evento nell’universo

La scienza travalica tutti i confini e ancora una volta l’ha dimostrato con la spettacolare scoperta annunciata in simultanea a Roma nella sede del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR) dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), dall’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), a Washington dalla collaborazione scientifica LIGO/Virgo, a Monaco dallo European Southern Observatory (ESO), e a Venezia dall’European Space Agency (ESA).

Un evento di coalescenza di due stelle di neutroni nella galassia NGC 4993, distante da noi “solo” 130 milioni di anni luce, è stato registrato per la prima volta sotto forma di onde gravitazionali e congiuntamente come un breve lampo di raggi gamma e altre onde elettromagnetiche tra cui raggi X, ultravioletti, luce visibile, infrarossi e onde radio.

Che cosa è stato osservato

Le due stelle di neutroni prima di fondersi hanno spiraleggiato una intorno all’altra, emettendo onde gravitazionali che sono state osservate per circa 100 secondi il 17 agosto 2017 dagli interferometri gemelli Advanced LIGO negli Stati Uniti e dall’interferometro VIRGO in Italia, a Cascina in provincia di Pisa.

Circa due secondi dopo le onde gravitazionali, un breve lampo gamma, la forma di luce più energetica del cosmo, è stato misurato nella stazione spaziale FERMI della NASA, in particolare dal GLAST Burst Monitor (GBM).

La precisione nella localizzazione della sorgente delle onde gravitazionali, grazie alla triangolazione dei segnali dei tre interferometri, associata con il picco di raggi gamma registrati da Fermi, ha consentito ai telescopi in tutto il mondo di puntare rapidamente i loro strumenti verso la regione del cielo da cui si pensava che provenisse il segnale.

Nei giorni e nelle settimane successive, l’emissione di onde elettromagnetiche in altre lunghezze d’onda è stata raccolta da 70 telescopi terrestri, tra cui REM, VST, VLT, e osservatori spaziali in aggiunta a Fermi quali, Integral, Swift, Chandra, Hubble, che hanno raccolto preziosissime informazioni su questo evento.

In particolare c’è evidenza sperimentale che durante la coalescenza di due stelle di neutroni sono sintetizzati elementi pesanti quali il piombo e l'oro; ciò aiuta a chiarire il mistero, che durava da decine di anni, sull’origine di quasi la metà di tutti gli elementi più pesanti del ferro.

Le prove convincenti che abbiamo trovato

Abbiamo ormai accumulato prove sperimentali convincenti che la coalescenza di sistemi binari molto compatti quali appunto due buchi neri o due stelle di neutroni è una sorgente di onde gravitazionali e che la fusione di due stelle di neutroni produce anche l’emissione più o meno ritardata di radiazione elettromagnetica, in particolare di brevi lampi di luce gamma.

Stelle di neutroni e buchi neri sono entrambi stadi finali dell’esplosione, sotto forma di una supernova, di stelle di grande massa, molto maggiore di quella del Sole, quando hanno esaurito il combustibile che alimenta la fusione nucleare al loro interno.

Se il nucleo residuo ha una massa superiore a tre o quattro volte la massa del Sole, si forma un buco nero, in cui il campo gravitazionale è così intenso che neanche la luce riesce a uscire dalla sua superficie. Per masse intermedie, comprese tra circa una volta e mezzo e tre volte quella del Sole, il collasso continua fino a quando il nucleo è composto in gran parte solo da neutroni. Queste stelle sono quindi corpi molto compatti, di raggio dell’ordine di una ventina di chilometri e di massa intorno a 1,5 masse solari.  La densità dell’ordine di 1017 chilogrammi al metro cubo, è così elevata che una tazza di tè riempita della materia di cui è fatta equivale, in massa, a un’intera montagna. Per confronto la densità della Terra è circa 5×103 kg/m-3 e oggetti così densi non esistono nel nostro mondo.

La nuova frontiera

La nuova frontiera nell’osservazione dell’universo, l’astronomia multi-messaggero, è quindi diventata realtà.

Dopo aver osservato per molti secoli il cielo solo con la luce visibile, l’uomo è oggi in grado di rivelare i tanti messaggeri che l’universo ci invia.

Dagli anni ’40 del secolo scorso in poi, sono stati costruiti strumenti sensibili a tutte le frequenze dello spettro elettromagnetico, onde radio, X, gamma, etc. scoprendo oggetti sconosciuti quali pulsar, nuclei di galassie attive, stelle di neutroni, buchi neri.

L’astronomia neutrinica ci ha poi consentito di “scrutare” l’interno del Sole, di cogliere l’ultimo sospiro di una stella morente e, in anni più recenti, di misurare i neutrini di altissima energia prodotti in eventi cosmici estremi in cui grandi masse si scontrano e sono accelerate.

La rivelazione delle onde gravitazionali ha infine inaugurato una nuova finestra di ascolto dell’universo.

L’aver misurato le onde gravitazionali e le controparti elettromagnetiche provenienti dallo stesso corpo cosmico costituisce quindi un evento straordinario che apre imprevedibili prospettive allo studio dell’universo.

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