La prima associazione in assoluto di una sorgente di onde gravitazionali, GW170817, a una sorgente luminosa… e tutte le scoperte epocali che ne conseguirono!

Esattamente 4 anni fa, sia il Laser interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli USA e l’interferometro VIRGO in Italia rilevarono le onde gravitazionali emesse dalla fusione di due stelle di neutroni in un sistema binario. Tale segnale fu chiamato GW170817. Sappiamo infatti, grazie alla Relativita’ Generale, che in assenza di masse lo spazio e’ piano, ovvero le distanze tra i vari oggetti sono descrivibili tramite la geometria euclidea. Ma in presenza di masse esso si incurva, avendo come conseguenza che, nel caso di un passaggio ravvicinato di un un oggetto o un raggio di luce, esso assume una traiettoria curva, seguendo la curvatura dello spazio. Ma non e’ finita’ qui: lo spazio-tempo, incurvandosi, puo’ oscillare, e queste oscillazioni si possono propagare, portando via con loro energia e momento angolare dal sistema che le ha generate (come quel sistema binario di stelle di neutroni), facendo avvicinare sempre piu’ le componenti fino alla catastrofica fusione finale.

Appena 2 secondo dopo quella scoperta gia’ cosi’ enorme, i due telescopi spaziali nei raggi gamma FERMI e INTEGRAL rilevarono un Gamma Ray Burst (GRB) di breve durata nella stessa area di cielo da cui proveniva il segnale di onde gravitazionali GW170817. Qualcosa di veramente sensazionale sembrava profilarsi: c’era la seria possibilita’ di poter osservare per la prima volta nella storia un evento astronomico sia nelle onde gravitazionali che elettromagnetiche, ovvero la prima associazione in assoluto di una sorgente di onde gravitazionale a una sorgente luminosa e potenzialmente visibile!

Una imponente campagna osservativa

Fu cosi’ che come la notte calo’ in Cile, una moltitudine di telescopi venne puntata verso la porzione di cielo indiziata, come il telescopio VLT (Very Large Telescope) all’Osservatorio del Paranal, il telescopio italiano REM (Rapid Eye Mount) all’Osservatorio di La Silla o l’americano DECcam a Cerro Tololo. Il telescopio Swope da 1 metro di diametro fu il primo ad annunciare una nuova sorgente di luce, molto vicina alla galassia NGC 4993 nella costellazione dell’Idra, e quasi contemporaneamente le osservazioni di VISTA identificavano la stessa sorgente nell’infrarosso. Prese cosi’ via una imponente campagna osservativa globale, che coinvolse osservatori sia terrestri che spaziali, incluso il telescopio spaziale Hubble, che osservo la sorgente indebolirsi gradualmente nella banda visibile tra il 22 e il 28 Agosto 2017 (nell’immagine).

La kilonova associata a GW170817 e il suo progressivo indeboimento ripreso dal telescopio spaziale Hubble. Credits: NASA ed ESA; N. Tanvir (U. Leicester), A. Levan (U. Warwick), and A. Fruchter and O. Fox (STScI).

La rilevazione pressoche’ simultanea del segnale luminoso/elettromagnetico e di onde gravitazionali dalla sorgente permisero di provare a stabilirne la natura in tempi piuttosto rapidi, e fu presto lampante come i dati osservativi fossero in grande accordo con le predizioni teoriche dei modelli di fusione di stelle di neutroni, ovvero le kilonovae. Le kilonovae erano infatti teorizzate da piu’ di 30 anni, ma ancora nessuno le aveva mai osservate, e per quanto logica e realistica, la loro esistenza non era comunque cosi’ scontata visto le molte domande ancora aperte all’epoca. Ad esempio, un sistema binario di due stelle massicce deve sopravvivere all’esplosione di supernova delle sue due componenti per divenire un sistema binario di stelle di neutroni, che devono quindi rimanere in un sistema gravitazionalmente legato, evitando che esso sia smantellato dalle esplosioni, cosa non scontata. E ancora, tali stelle di neutroni devono poi fondersi via emissione di onde gravitazionali… ma in quanto tempo? Necessitano di un tempo superiore o inferiore dell’eta’ dell’universo? Se tale fusione avvenisse su tempi troppo lunghi, potremmo non osservarla mai. E questi sono solo due dei tanti interrogativi che gli astronomi si portavano dietro circa l’effettiva esistenza delle kilonove, fino a quando una di loro venne effettivamente osservata, vista, per la prima volta nella Storia.

L’origine cosmica degli elementi piu` pesanti del ferro

In un colpo solo venne osservata la prima kilonova in assoluto, e la classe a breve durata dei misteriosi GRB venne associata alla fusione di stelle di neutroni in sistemi binari. Basterebbe gia’ per segnare l’inizio di una nuova era dell’Astronomia (e cosi’ fu), ma le sorprese non si esaurirono li’. Quando l’analisi degli spettri della controparte elettromagnetica di GW170817 fu pubblicata per la prima volta, si sostenne che fossero sostanzialmente coerenti col decadimento di elementi pesanti radioattivi APPENA FORMATI durante l’esplosione. Tuttavia, non fu subito possibile identificare in modo robusto alcun elemento chimico specifico. Ma il 23/10/2019, grazie a una attenta rianalisi di questi spettri, fu riportata l’identificazione INCONFUTABILE dello stronzio, elemento piu’ pesante del ferro, formato proprio da successive catture di neutroni. Il rilevamento di un elemento da cattura di neutroni associato alla collisione di due stelle a densità estrema stabilli’ l’origine di buona parte (circa il 50%) degli elementi piu’ pesanti del ferro (come oro, europio, platino e molti altri) proprio nelle fusioni di stelle di neutroni, che ebbero luogo gia’ nei tempi antecedenti la formazione del nostro Sistema Solare, e arricchirono la nebulosa da cui esso si formo con una varieta’ di elementi chimici che oggi fanno parte del nostro quotidiano, e magari persino indossiamo sotto forma di una catenina o anello d’oro.

Fonti:

Pian, E., D’Avanzo, P., Benetti, S. et al. Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron-star merger. Nature 551, 67–70 (2017).

Smartt et al.; Nature, Volume 551, Issue 7678, pp. 75-79 (2017).

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