Martin Rees una volta ha detto: “Sta diventando chiaro che, in un certo senso, lo spazio fornisce l'unico laboratorio che crea con successo condizioni estreme per testare nuove idee dalla fisica delle particelle. Le energie del Big Bang erano molto più alte di quanto possiamo raggiungere sulla Terra. Quindi, cercando prove del Big Bang e studiando cose come le stelle di neutroni, stiamo effettivamente studiando la fisica fondamentale.
Se c'è una differenza significativa tra la relatività generale e la gravità newtoniana, è questa: nella teoria di Einstein, niente dura per sempre. Anche se avessi due masse assolutamente stabili in orbita l'una sull'altra - masse che non brucerebbero mai, non perderebbero materiale o cambierebbero - le loro orbite decade gradualmente. E se, nella gravità newtoniana, due masse ruotano per sempre attorno a un centro di gravità comune, la relatività generale ci dice che una piccola quantità di energia viene persa ogni volta che la massa viene accelerata dal campo gravitazionale attraverso cui passa. Questa energia non scompare, ma viene portata via sotto forma di onde gravitazionali. Per periodi di tempo sufficientemente lunghi, verrà irradiata energia sufficiente affinché le due masse rotanti si tocchino e si fondano. LIGO lo ha già osservato tre volte con i buchi neri. Ma potrebbe essere il momento di fare il passo successivo e vedere la prima fusione di stelle di neutroni, afferma Ethan Siegel di Medium.com.
Qualsiasi massa catturata in questa danza gravitazionale emetterà onde gravitazionali, causando l'interruzione dell'orbita. Ci sono tre ragioni per cui LIGO ha scoperto i buchi neri:
1. Sono incredibilmente enormi
2. Sono gli oggetti più compatti dell'universo
3. All'ultimo momento della fusione, hanno ruotato alla frequenza corretta in modo da poter essere fissati dai bracci laser LIGO
Tutto questo insieme - grandi masse, brevi distanze e la giusta gamma di frequenze - danno al team di LIGO un'enorme area di ricerca in cui possono brancolare alla ricerca di fusioni di buchi neri. Le increspature di queste massicce danze si estendono per molti miliardi di anni luce e raggiungono persino la Terra.
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Sebbene i buchi neri debbano avere un disco di accrescimento, i segnali elettromagnetici che dovrebbero generare i buchi neri rimangono elusivi. Se la parte elettromagnetica del fenomeno è presente, deve essere prodotta da stelle di neutroni.
L'universo ha molti altri oggetti interessanti che producono grandi onde gravitazionali. I buchi neri supermassicci al centro delle galassie divorano nuvole di gas, pianeti, asteroidi e persino altre stelle e buchi neri tutto il tempo. Sfortunatamente, poiché i loro orizzonti degli eventi sono così enormi, si muovono estremamente lentamente in orbita e forniscono la gamma di frequenza sbagliata affinché LIGO possa rilevare. Le nane bianche, le stelle binarie e altri sistemi planetari hanno lo stesso problema: questi oggetti sono fisicamente troppo grandi e quindi orbitano troppo a lungo. Così a lungo che avremmo bisogno di un osservatorio spaziale delle onde gravitazionali per vederle. Ma c'è un'altra speranza che ha la giusta combinazione di caratteristiche (massa, compattezza, giusta frequenza) per essere vista da LIGO: l'unione di stelle di neutroni.
Mentre due stelle di neutroni orbitano l'una attorno all'altra, la teoria della relatività generale di Einstein prevede il decadimento orbitale e la radiazione gravitazionale. Nelle fasi finali di una fusione - che non è mai stata osservata nelle onde gravitazionali - l'ampiezza sarà al suo picco e LIGO sarà in grado di rilevare l'evento.
Le stelle di neutroni non sono massicce come i buchi neri, ma probabilmente possono essere da due a tre volte più massicce del Sole: circa il 10-20% della massa degli eventi LIGO rilevati in precedenza. Sono compatti quasi come i buchi neri, con una dimensione fisica di soli dieci chilometri di raggio. Nonostante il fatto che i buchi neri collassino in una singolarità, hanno un orizzonte degli eventi e le dimensioni fisiche di una stella di neutroni (fondamentalmente solo un nucleo atomico gigante) non sono molto più grandi dell'orizzonte degli eventi di un buco nero. La loro frequenza, soprattutto negli ultimi secondi della fusione, è ottima per la sensibilità del LIGO. Se l'evento accade nel posto giusto, possiamo apprendere cinque fatti incredibili.
Durante la torsione a spirale e la fusione di due stelle di neutroni, deve essere rilasciata un'enorme quantità di energia, così come elementi pesanti, onde gravitazionali e un segnale elettromagnetico, come mostrato nell'immagine.
Le stelle di neutroni creano davvero lampi di raggi gamma?
C'è un'idea interessante: che i brevi lampi di raggi gamma, che sono incredibilmente energetici ma durano meno di due secondi, sono causati dalla fusione di stelle di neutroni. Derivano da vecchie galassie in regioni in cui non sono nate nuove stelle, il che significa che solo i cadaveri stellari possono spiegarle. Ma finché non sappiamo come appare il breve lampo di raggi gamma, non possiamo essere sicuri di cosa li stia causando. Se LIGO è in grado di rilevare la fusione di stelle di neutroni dalle onde gravitazionali, e subito dopo possiamo vedere un breve lampo di raggi gamma, sarà la conferma finale di una delle idee più interessanti in astrofisica.
Le due stelle di neutroni che si uniscono, come mostrato qui, turbinano ed emettono onde gravitazionali, ma sono più difficili da rilevare rispetto ai buchi neri. Tuttavia, a differenza dei buchi neri, devono espellere parte della loro massa nell'Universo, dove vi contribuiranno sotto forma di elementi pesanti.
Quando le stelle di neutroni si scontrano, quanta parte della loro massa non diventa un buco nero?
Quando guardi gli elementi pesanti sulla tavola periodica e ti chiedi come siano nati, ti viene in mente una supernova. Dopo tutto, questa storia è sostenuta dagli astronomi ed è in parte vera. Ma la maggior parte degli elementi pesanti sulla tavola periodica sono mercurio, oro, tungsteno, piombo, ecc. - nati effettivamente in collisioni di stelle di neutroni. La maggior parte della massa delle stelle di neutroni, dell'ordine del 90-95%, va a creare un buco nero al centro, ma i restanti strati esterni vengono espulsi, formando la maggior parte di questi elementi nella nostra galassia. Vale la pena notare che se la massa combinata di due stelle di neutroni che si fondono scende al di sotto di una certa soglia, formeranno una stella di neutroni, non un buco nero. Questo è raro, ma non impossibile. E non sappiamo esattamente quanta massa viene lanciata durante un evento del genere. Se LIGO registra un evento del genere, lo scopriremo.
Illustra la gamma di Advanced LIGO e la sua capacità di rilevare le fusioni di buchi neri. La fusione di stelle di neutroni può rientrare solo entro un decimo della gamma e avere lo 0,1% del volume normale, ma se ci sono molte stelle di neutroni, LIGO lo troverà.
Fino a che punto LIGO può vedere la fusione di stelle di neutroni?
Questa domanda non riguarda l'universo in sé, ma piuttosto la sensibilità del design LIGO. In caso di luce, se l'oggetto è 10 volte più lontano, sarà 100 volte più debole; ma con le onde gravitazionali, se l'oggetto è 10 volte più lontano, il segnale dell'onda gravitazionale sarà solo 10 volte più debole. LIGO può osservare buchi neri a molti milioni di anni luce di distanza, ma le stelle di neutroni saranno visibili solo se si uniscono nei vicini ammassi galattici. Se vediamo una tale fusione, possiamo verificare quanto è buono il nostro hardware o quanto dovrebbe essere buono.
Quando due stelle di neutroni si fondono, come mostrato qui, dovrebbero creare getti di raggi gamma, così come altri fenomeni elettromagnetici che, se la Terra è vicina, saranno distinguibili dai nostri migliori osservatori.
Che tipo di bagliore residuo rimane dopo una fusione di stelle di neutroni?
Sappiamo, in alcuni casi, che si sono già verificati eventi forti corrispondenti a collisioni di stelle di neutroni e che lasciano segni in altre bande elettromagnetiche. Oltre ai raggi gamma, possono essere presenti componenti ultravioletti, ottici, infrarossi o radio. Oppure potrebbe essere una componente multispettrale che appare in tutte e cinque le bande, in quest'ordine. Quando LIGO rileva una fusione di stelle di neutroni, potremmo catturare uno dei fenomeni più sbalorditivi della natura.
Una stella di neutroni, sebbene composta da particelle neutre, produce i campi magnetici più forti dell'universo. Quando le stelle di neutroni si fondono, dovrebbero produrre sia onde gravitazionali che firme elettromagnetiche.
Per la prima volta, saremo in grado di combinare l'astronomia delle onde gravitazionali con quella tradizionale
Gli eventi precedenti catturati da LIGO sono stati impressionanti, ma non abbiamo avuto l'opportunità di osservare queste fusioni attraverso un telescopio. Abbiamo inevitabilmente dovuto affrontare due fattori:
- Le posizioni degli eventi non possono essere determinate con precisione con solo due rivelatori, in linea di principio
- Le fusioni di buchi neri non hanno una componente elettromagnetica (luce) luminosa
Ora che VIRGO sta lavorando in sincronia con due rilevatori LIGO, possiamo migliorare notevolmente la nostra comprensione di dove vengono generate queste onde gravitazionali nello spazio. Ma ancora più importante, poiché la fusione di stelle di neutroni deve avere una componente elettromagnetica, ciò potrebbe significare che per la prima volta l'astronomia delle onde gravitazionali e l'astronomia tradizionale verranno utilizzate insieme per osservare lo stesso evento nell'universo!
La torsione a spirale e la fusione di due stelle di neutroni, come mostrato qui, dovrebbe dare come risultato uno specifico segnale di onda gravitazionale. Inoltre, il momento della fusione deve creare una radiazione elettromagnetica, unica e identificabile in sé.
Siamo già entrati in una nuova era dell'astronomia, in cui utilizziamo non solo telescopi, ma anche interferometri. Non usiamo solo la luce, ma anche le onde gravitazionali per vedere e comprendere l'universo. Se in LIGO compare una fusione di stelle di neutroni, anche se rara, e il tasso di rilevamento è basso, attraverseremo il prossimo confine. Il cielo gravitazionale e il cielo di luce non saranno più estranei l'uno all'altro. Saremo un passo più vicini alla comprensione di come funzionano gli oggetti più estremi dell'Universo e avremo una finestra sul nostro spazio che nessuno ha mai avuto prima.
Ilya Khel
