Patrizia Caraveo

Patrizia Caraveo

Ott 17, 2017

Onde gravitazionali, da oggi sappiamo di più sull’Universo e sull’origine dell’oro

Due stelle di neutroni hanno viaggiato per 130 milioni di anni luce e poi si sono scontrate. L'esplosione è stata osservata dalle antenne gravitazionali Ligo-Virgo e da 70 telescopi sulla Terra e nello spazio. Svelato il mistero di come nell'universo si formano i metalli pesanti come oro, platino e uranio. La spiegazione

130 milioni di anni fa, quando sulla Terra regnavano incontrastati i dinosauri, due stelle di neutroni di casa nella galassietta ellittica NCG4993 hanno concluso un balletto durato forse miliardi di anni, cadendo una addosso all’altra. Ognuna delle due era il cadavere di una stella molto più massiva del nostro Sole che, dopo una vita stellare fast and furious, era esplosa lasciano, appunto, una stella supercompatta dove una massa non troppo diversa da quella del Sole è compressa alle dimensioni di poche decine di km.

Una pressoterapia estrema che produce oggetti con densità difficile da immaginare: un cucchiaino di stella di neutroni pesa come l’Everest. I due cadaveri stellari orbitano uno intorno all’altro avvicinandosi sempre di più (e descrivendo orbite sempre più strette e vorticose) fino a toccarsi. Nell’ultimo minuto della vita del balletto, le stelle sono così vicine da deformare la spazio tempo ed emettere onde gravitazionali la cui frequenza aumenta man mano che le orbite diventano sempre più strette. Il “chirp” gravitazionale segnala la fine del balletto. Nel momento del contatto, la gravità reciproca contorce le stelle di neutroni, espellendo materia, mentre l’oggetto che si è formato (che non sappiamo esattamente cosa sia, forse una stella di neutroni, forse un buco nero) cerca di assestarsi.

La materia espulsa ad altissima velocità forma dei getti capaci di emettere radiazione di alta energia.

Giusto un bagliore della durata di pochi secondi, a volte anche meno, quello che gli astronomi chiamano lampo gamma

E’ un processo che ha bisogno di un po’ di spazio e non avviene vicino alla stella. Bisogna lasciare alla materia il tempo di espandersi, non occorre tanto, qualche secondo è sufficiente, ma questo implica che l’onda gravitazionale emessa da una coppia di stelle di neutroni non possa essere contemporanea all’emissione del lampo di alta energia.

Dopo 130 milioni di anni l’occasione della vita

Dopo un viaggio lungo 130 milioni di anni (un tragitto breve in termini astronomici) il 17 agosto di quest’anno il segnale è arrivato sulla Terra dove non ha trovato i dinosauri ma fisici e astronomi perennemente in allerta per non lasciarsi sfuggire nessuna occasione cosmica.


Il primo strumento a dare l’annuncio della rivelazione di un lampo gamma è stato il GBM (Gamma-ray Burst Monitor) a bordo del satellite Fermi della NASA: niente di eccezionale, un segnale breve ma per niente intenso, come succede decine di volte all’anno. Ma questo lampo gamma, noto come GRB170817A (il primo rivelato il 17 agosto 2017), aveva voglia di entrare nella storia perché, un paio secondi prima del segnale X, si era fatto sentire da uno dei rivelatori di LIGO (l’interferometro che ha visto i primi segnali gravitazionali). Dal momento che il legame tra lampi brevi e onde gravitazionali era ben chiaro alla comunità astronomica e a quella gravitazionale,

tutti hanno capito che forse si era davanti all’occasione di una vita

In effetti, andando a cercare nel secondo rivelatore LIGO (dove il segnale era disturbato da una interferenza locale) e in Virgo, che si trova al di là dell’Oceano, sono riusciti a definire con buona precisione la regione di arrivo del segnale.
Nel frattempo, arrivava anche la conferma del lampo gamma da parte di INTEGRAL, il satellite dell’Agenzia Spaziale Europea, al quale l’Italia, rappresentata da ASI e INAF, ha sempre partecipato da protagonista. Il segnale rivelato da INTEGRAL è molto breve ma Pietro Ubertini, responsabile italiano per la missione, è sicuro che sia stato cruciale per migliorare la localizzazione del lampo gamma che si sovrappone alla regione di arrivo dell’onda gravitazionale, confermando l’origine comune. Quanto bastava per chiudere il cerchio.

Il ruolo dei telescopi ottici

E’ da anni che sappiamo che i lampi gamma brevi sono probabilmente collegati alla coalescenza di stelle di neutroni, ma l’evento del 17 agosto è la prova sicura perché il segnale gravitazionale permette di calcolare la massa degli oggetti coinvolti e si tratta proprio di stelle di neutroni. Inoltre, dal segnale gravitazionale si può estrarre l’energia dell’evento e quindi calcolare la distanza: si è trattato di un evento abbastanza locale, poco più di 100 milioni di anni luce. Rimaneva da trovare il colpevole e qui sono entrati in funzione una batteria impressionante di telescopi ottici. Decine di osservatori con telescopi piccoli, medi, grandi e grandissimi si sono concentrati nella ricerca e hanno trovato che, nelle galassia NGC 4993, si era accesa una nuova sorgente (segnata con la freccia nella figura). Lo studio della luce emessa puntava verso una kilonova (un oggetto più brillante di una nova ma meno brillante di una supernova) la cui emissione era da collegare al decadimento di elementi radioattivi che si erano formati nell’esplosione seguito alla fusione delle due stelle di neutroni.

Una quantità d’oro pari a decine di volte la massa della Terra

La materia espulsa a seguito dello stiramento gravitazionale viene sottoposta ad una pioggia di neutroni che sono alla base di quello che gli astronomi chiamano il processo r per la formazione di elementi più pesanti del ferro, elementi che le stelle, anche le più grandi, non sono capaci di sintetizzare nel corso della loro evoluzione. L’oro, l’argento, il platino, l’uranio, il torio vengono prodotti così nel cosmo. I colleghi che hanno esaminato il comportamento della kilonova hanno calcolato che si dovrebbe essere formato una quantità di oro pari a decine di volte la massa della Terra. Oro che andrà ad arricchire le nubi interstellari dalle quali si formeranno nuove stelle e nuovi pianeti, come la nostra Terra.
Un risultato fantastico che segna l’inizio dell’astronomia multimessaggero perché sfrutta sia il canale astronomico tradizionale della luce sia quello gravitazionale. Un successo, con una importante componente italiana, reso possibile da un lungo e meticoloso lavoro di preparazione che ha visto la convergenza di fisici gravitazionali, astrofisici spaziali e astronomi tradizionali (con i piedi per terra). Nessuno ha esitato a mandare all’aria i piani per le vacanze programmate. 

Agli appuntamenti cosmici non si può arrivare in ritardo perché non si sa quando (e se) ce ne saranno altri

Come nota personale, posso aggiungere che questo splendido risultato mi ha fatto finalmente capire perché sono sempre stata affascinata dalle stelle di neutroni. Sono loro che producono i metalli preziosi dei gioielli che mi piacciono tanto.