L'osservatorio LIGO, i cui creatori hanno ricevuto il Premio Nobel 2017, ha già cambiato il mondo dell'astronomia. Quando gli scienziati della comunità scientifica internazionale LIGO hanno scoperto le prime onde gravitazionali nel 2016, hanno scoperto un nuovo modo di osservare l'universo. Per la prima volta, gli scienziati sono stati in grado di "ascoltare" le fluttuazioni nello spazio-tempo derivanti dalla collisione di oggetti di grandi dimensioni (ad esempio i buchi neri).
Ma quello era solo l'inizio. L'obiettivo era combinare l'osservazione delle onde gravitazionali con i dati di telescopi più convenzionali.
Nell'ottobre 2017, in Physical Review Letters, il team di scienziati LIGO, che comprende diverse migliaia di persone in tutto il mondo, ha pubblicato una serie di articoli sull'incredibile scoperta. I ricercatori sono stati in grado non solo di rilevare le onde gravitazionali dalla collisione di due stelle di neutroni, ma anche di determinarne le coordinate nel cielo, nonché di osservare il fenomeno attraverso telescopi ottici ed elettromagnetici.
"Questa è una delle storie più complete immaginabili di un fenomeno astrofisico", afferma il fisico Peter Solson della Syracuse University e membro della comunità LIGO.
Ogni fonte racconta la propria parte della storia
Le onde gravitazionali comunicano ai fisici le dimensioni e la distanza degli oggetti, il che consente loro di ricreare il momento prima che si scontrino. Le osservazioni della radiazione visibile e delle onde elettromagnetiche riempiono quindi le lacune che le onde gravitazionali non sono in grado di spiegare. Aiutano gli astronomi a scoprire di cosa erano fatti gli oggetti e quali elementi chimici provenivano dalla collisione. Nel nostro caso, gli scienziati sono stati in grado di concludere che l'esplosione durante la fusione di stelle di neutroni ha portato alla comparsa di elementi pesanti: oro, platino e uranio (che in precedenza erano solo ipotizzati, ma non potevano essere confermati dall'osservazione diretta).
Ora gli scienziati sono riusciti a vedere con i propri occhi l'alchimia dell'universo in azione. "Penso che l'impatto di questa scoperta sulla scienza sarà più significativo del primo rilevamento di buchi neri attraverso le onde gravitazionali", ha detto Duncan Brown, un altro scienziato della comunità LIGO e della Syracuse University. "Molti aspetti della fisica e dell'astronomia sono coinvolti qui". E tutto questo è il risultato di una caccia al tesoro tra le stelle, in cui è coinvolto tutto il mondo.
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Corsa contro il tempo. Luogo contrassegnato da una croce
Il 17 agosto alle 8:41, LIGO ha rilevato le onde gravitazionali - la curvatura del tempo e dello spazio - che passavano attraverso la Terra. LIGO sono due osservatori a forma di L negli Stati Uniti di Louisiana e Washington, che possono registrare onde che comprimono e allungano il continuum spazio-temporale.
Negli ultimi due anni, LIGO è stato in grado di rilevare le onde gravitazionali generate dalla collisione di buchi neri. Ma il segnale del 17 agosto era abbastanza diverso. Si è rivelato molto più forte di quanto registrato quando è stato scoperto il buco nero. Il nuovo segnale è durato 100 secondi, mentre i segnali dei buchi neri solo pochi. Ciò significava che la collisione è avvenuta molto più vicino alla Terra.
Quando LIGO rileva le onde gravitazionali, invia automaticamente notifiche a centinaia di scienziati in tutto il mondo. Duncan Brown è uno di loro. “Abbiamo ricevuto un avviso telefonico molto rapidamente e ci siamo resi conto che si trattava di un segnale inaspettatamente forte di onde gravitazionali. Ci ha scioccato , ricorda.
È stato subito chiaro che non si trattava di una fusione di buchi neri. L'analisi iniziale ha mostrato che le onde hanno avuto origine dalla collisione di due stelle di neutroni, oggetti con densità molto elevata. Si ritiene che al loro interno si formino elementi chimici pesanti.
Quando LIGO rileva le onde gravitazionali dalla collisione dei buchi neri, non si vede nulla nel cielo: i buchi neri, come suggerisce il nome, sono scuri. Che ne dici di una collisione di due stelle di neutroni? Lo spettacolo dovrebbe essere come un colorato fuochi d'artificio.
Osservatorio Sarah Wilkinson / Las Campanas
E così è successo: due secondi dopo il segnale LIGO, il telescopio spaziale Fermi della NASA ha rilevato un lampo di raggi gamma, uno dei più potenti lampi di energia esplosiva nell'Universo a noi noti. Per molto tempo gli astronomi hanno costruito teorie secondo cui la fusione di stelle di neutroni può causare lampi di raggi gamma. E ora non poteva essere una coincidenza.
Allo stesso tempo, la luce di una fusione così esplosiva si attenua rapidamente. Il conteggio è andato avanti per minuti e gli scienziati della comunità scientifica internazionale LIGO sono stati costretti ad affrettarsi. "Più velocemente arrivi al telescopio, più informazioni ottieni", dice Brown. Dallo studio della luce e del modo in cui cambia, gli scienziati possono raccogliere una grande quantità di informazioni che li aiuteranno a comprendere meglio le stelle di neutroni e il modo in cui fondono la materia del cambiamento.
Brown ei suoi colleghi hanno iniziato a lavorare, organizzando teleconferenze con dozzine di scienziati in tutto il mondo. Il team LIGO ha lavorato con i partner di VIRGO, l'osservatorio italiano delle onde gravitazionali, per lavorare con uno sforzo raddoppiato per mappare il cielo e localizzare la fonte delle onde gravitazionali. Hanno ristretto la ricerca a un'area delle dimensioni di un pugno alla distanza di un braccio. (Da un punto di vista astronomico, anche questa regione è uno spazio enorme. Un'area di una mappa con una testa di fiammifero a distanza di un braccio può contenere migliaia di galassie.) Il rivelatore VIRGO in Italia non ha captato un segnale, il che ha contribuito a determinare la posizione delle stelle. VIRGO ha zone di non ricezione, quindi le stelle di neutroni avrebbero dovuto trovarsi vicino a una di esse.
Questa mappa del cielo è il risultato della combinazione di informazioni da Fermi, LIGO, VIRGO e Integral (un altro osservatorio di raggi gamma). Ciascun rilevatore forniva un'area in cui poteva verificarsi un segnale. Dove si sovrapponevano, veniva indicato il luogo contrassegnato da una croce sulla mappa dei tesori cosmici.
Mappa alla mano, il team di LIGO ha inviato e-mail agli astronomi di tutto il mondo che potevano esplorare questa regione del cielo al calar della notte.
E la fortuna non li ha lasciati sfuggire! Diversi osservatori terrestri sono stati in grado di rilevare la posizione del kilon (o macron), un'esplosione dalla collisione di due stelle di neutroni. La foto a sinistra mostra ciò che gli astronomi hanno catturato nella serata di apertura. A destra è come appariva pochi giorni dopo. L'esplosione si attenuò notevolmente.
1M2H / UC Santa Cruz e Carnegie Observatory / Ryan Foley
Ecco come appariva la galassia un paio di settimane prima della formazione della kilonova (immagine in alto). L'immagine in basso mostra un'esplosione.
The Dark Energy Camera GW-EM Collaboration e DES / Berger Collaboration
Le immagini possono sembrare sfocate, ma ci sono un sacco di informazioni su di esse. Con coordinate precise, gli scienziati possono sintonizzare il telescopio spaziale Hubble e l'osservatorio spaziale a raggi X Chandra per far esplodere una kilonova. Con l'aiuto di questi strumenti, gli astronomi saranno in grado di osservare il processo dell'universo con un occhio solo.
Come le stelle di neutroni in collisione creano l'oro
Le stelle di neutroni sono corpi cosmici insoliti. Si formano come risultato del collasso gravitazionale delle stelle (ad esempio durante le esplosioni di supernova) e hanno una densità molto elevata. Immagina un oggetto con una massa come il Sole, ma di soli 25 chilometri di diametro. Si tratta di 333.000 masse dell'intera Terra, compresse in una palla delle dimensioni del distretto centrale di Mosca. La pressione all'interno è così enorme che possono esistere solo neutroni (protoni fusi con elettroni).
In una galassia distante 130 milioni di anni luce, due di questi oggetti "danzavano" l'uno intorno all'altro, muovendosi in orbita e avvicinandosi sempre di più. Si sono scontrati e l'energia rilasciata attraverso l'Universo ha inviato un'onda che distorce il tempo e lo spazio e un flusso di particelle (un lampo di raggi gamma rilevato insieme alle onde gravitazionali). Sia le onde gravitazionali che i raggi gamma hanno viaggiato alla velocità della luce. Questa è un'altra prova della teoria della relatività generale di Albert Einstein. È possibile che dopo la fusione le stelle di neutroni abbiano formato un nuovo buco nero, poiché avevano massa sufficiente. Tuttavia, non ci sono ancora informazioni sufficienti per una dichiarazione inequivocabile.
V. Castown / T. Kawamura / B. Giacomazzo / R. Cholfi / A. Endrzzi
Ma una cosa si può già dire con certezza: dopo l'esplosione, molti dei neutroni rimanenti si sono combinati e hanno formato elementi chimici.
Tutti noi e ogni elemento sulla Terra siamo fatti di stelle. Come risultato del Big Bang all'inizio dei tempi, si formarono elementi molto leggeri: idrogeno ed elio. Questi elementi si combinano per formare stelle, all'interno delle quali, durante le reazioni di fusione, compaiono elementi con masse sempre più grandi.
Quando le stelle sono diventate supernova (collasso e successiva esplosione), sono stati creati anche elementi più pesanti. Tuttavia, secondo Brown, l'aspetto dell'oro e del platino è stato a lungo un mistero. Anche le esplosioni di supernova non sono abbastanza potenti per crearle.
Ci sono state teorie secondo cui una stella kilon (formata dalla fusione di due stelle di neutroni) è in grado di produrre questi metalli. E poiché gli astronomi sono stati in grado di determinare tempestivamente il luogo in cui è avvenuta la fusione, hanno confermato questa teoria. Il colore e la qualità della luce rimasta dopo l'esplosione hanno confermato la formazione di oro e platino. Gli scienziati sembravano aver visto l'alchimia in azione.
"L'oro sulla Terra è stato creato una volta dopo un'esplosione nucleare da una fusione [di stelle di neutroni]", spiega Brown. - Ora ho una fede nuziale in platino al dito. Pensa, è apparso a causa della collisione di stelle di neutroni!"
Sta arrivando una nuova era nell'astronomia
La scoperta descritta segna l'inizio di una nuova era nell'astronomia. Gli scienziati potranno studiare i corpi celesti non solo con l'aiuto della luce e della radiazione che emettono, ma anche combinare queste osservazioni con le informazioni ottenute durante l'analisi delle onde gravitazionali. Queste informazioni contengono il modo in cui le due stelle di neutroni si sono mosse l'una intorno all'altra quando si è verificata la collisione, oltre a un enorme corpo di informazioni sulle sue conseguenze.
A destra - visualizzazione della sostanza delle stelle di neutroni. A sinistra - distorsione dello spazio-tempo vicino alle esplosioni. Karan Janey / Georgia Institute of Technology
La combinazione di tutte le fonti di informazione è chiamata astronomia multicanale, ovvero astronomia basata sull'aggiunta di osservazioni dello spettro elettromagnetico con osservazioni di onde gravitazionali. Questo è stato il sogno degli scienziati LIGO sin dalla fondazione dell'osservatorio.
"Immagina di vivere in una stanza senza finestre e tutto ciò che puoi fare è sentire i tuoni ma non vedere i fulmini", spiega Vicki Kalogera, astrofisica della Northwestern University e membro della comunità LIGO. - Ora immagina di essere stato trasferito in una stanza con una finestra. D'ora in poi, non solo senti il tuono, ma vedi anche i fulmini. I fulmini offrono un'opportunità completamente nuova per studiare i temporali e capire cosa sta realmente accadendo ".
Le onde gravitazionali sono tuoni. Osservare le esplosioni attraverso un telescopio - fulmini.
Solo un mese fa, i tre fondatori di LIGO hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica per il loro lavoro pionieristico. Come ha osservato Ed Young di The Atlantic, l'assegnazione del premio a tre su centinaia che hanno dato un contributo significativo al progetto LIGO crea una situazione imbarazzante e controversa. Tuttavia, i risultati recenti mostrano che il premio per il lavoro scientifico è stato ben meritato.
La cosa migliore dell'osservazione delle onde gravitazionali è che il processo è passivo. LIGO e VIRGO "sentiranno" tutte le onde gravitazionali che passano vicino alla Terra nello stesso giorno. Ogni segnale segna l'inizio di una nuova ricerca di "tesori", perché gli scienziati hanno bisogno di capire cosa ha creato le fluttuazioni nello spazio-tempo.
Gli astronomi sperano di vedere più fusioni di buchi neri e stelle di neutroni. Ma si possono scoprire fenomeni ancora più interessanti. Se gli osservatori LIGO e VIRGO continuano a migliorare, c'è la possibilità che sarà possibile rilevare le onde gravitazionali lasciate dal Big Bang. Oppure, cosa ancora più interessante, questi osservatori saranno in grado di rilevare sorgenti di onde gravitazionali precedentemente sconosciute e non prevedibili.
"Ero triste di essere nato dopo il primo sbarco con equipaggio sulla luna", ha detto Thomas Corbitt, fisico e membro della comunità LIGO alla Louisina State University. - Ma quando diventi testimone di eventi come questi, che servono come prova del grande successo di attività comuni, appare l'ispirazione. Ci danno una maggiore conoscenza dell'Universo ".
L'articolo originale in inglese è disponibile qui.
