Nel 2016 è stata annunciata la prima prova diretta dell’esistenza di onde gravitazionali, deformazioni dello spazio tempo predette dalla teoria della relatività di Einstein. L’evento misurato proveniva dalla fusione di due buchi neri. L’anno successivo è stato rivelato un altro evento, proveniente dalla fusione di due stelle di neutroni. Ora gli osservatori LIGO negli Stati Uniti e Virgo in Italia hanno osservato per la prima volta le onde gravitazionali di due fusioni separate, di un buco nero con una stella di neutroni. Un segnale è stato rilevato il 5 gennaio 2020, l’altro il 15 gennaio, e sarebbero avvenuti 900 milioni di anni fa.

In precedenza questa particolare fusione tra corpi celesti misti era stata solo teorizzata. Si tratta quindi della prima conferma in assoluto di questo tipo di evento cosmico.

“Finalmente abbiamo l’ultimo pezzo del puzzle: i buchi neri che inghiottono le stelle di neutroni intere” afferma Vivien Raymond, membro del team LIGO-Virgo, del Gravity Exploration Institute dell’Università di Cardiff. “Questa osservazione completa la nostra immagine degli oggetti più densi dell’Universo”.

Cosa sono e come si osservano le onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo che si generano in seguito a violenti eventi cosmici. Per esempio, quando coppie di oggetti massicci come buchi neri e stelle di neutroni orbitano rapidamente l’uno intorno all’altro, per poi fondersi. Quando un’onda gravitazionale attraversa la Terra in seguito a uno di questi eventi, si misura una minuscola espansione e contrazione dello spazio-tempo. Gli osservatori LIGO (Large Interferometer Gravitational-Wave Observatory, doppia sede a Handford e Livingston) e Virgo, interferometri su scala chilometrica, sono in grado di effettuare questa misurazione.

Giovanni Losurdo, coordinatore internazionale di Virgo e ricercatore dell’INFN, afferma: “LIGO e Virgo continuano a svelare eventi catastrofici mai osservati finora, contribuendo a far luce su un paesaggio cosmico finora inesplorato.” Anche l’osservatorio KAGRA in Giappone si è unito a LIGO-Virgo alla ricerca delle onde gravitazionali nel febbraio 2020.

Il primo segnale della fusione di due oggetti diversi

Il primo dei due eventi rilevati da LIGO e Virgo è stato chiamato GW200105 (il codice identifica anno, mese e giorno dell’osservazione dell’onda gravitazionale). Gli scienziati ritengono che abbia coinvolto la fusione di un buco nero di 8,9 masse solari con una stella di neutroni grande 1,9 masse solari. Nonostante solo due dei tre rilevatori LIGO-Virgo l’abbiano visto (LIGO Hanford non era operativo), il segnale era abbastanza forte da raggiungere la soglia di rilevamento. Gli scienziati calcolano che la fusione sia avvenuta a circa 900 milioni di anni luce di distanza. Il segnale GW200105 era debole, perciò i ricercatori non sono stati in grado di individuarne con esattezza l’origine.

Il secondo segnale

Il secondo evento, GW200115, si è verificato a circa 1 miliardo di anni luce di distanza. Ha coinvolto un buco nero di 5,7 masse solari e una stella di neutroni di 1,5 masse solari. Poiché tutti e tre i rivelatori l’hanno rilevato, i ricercatori sono quindi stati in grado di restringere la sua posizione in cielo.

Perché non è stata rilevata radiazione?

A differenza della fusione di due stelle di neutroni osservata da LIGO-VIRGO nel 2017, nessuna radiazione elettromagnetica proveniente dalle due diverse fusioni è stata rilevata da altri telescopi. Un simile segnale avrebbe potuto fornire un’ulteriore prova a favore della natura delle sorgenti coinvolte nei due eventi. Secondo il team LIGO-Virgo, le spiegazioni più sensate sarebbero due:

1. Si prevede che il buco nero inghiottirà tutta la stella di neutroni. Sarà poca la materia che verrà espulsa per generare un segnale elettromagnetico. Questo è diverso dalle fusioni di stelle di neutroni, in cui l’oggetto risultante esplode in modo spettacolare.
2. Le grandi distanze delle due fusioni rispetto a noi suggeriscono che qualsiasi luce prodotta nel corso di questi eventi sarebbe davvero molto fioca. E di conseguenza, molto difficile da rivelare.

A caccia di onde gravitazionali

I rilevatori per la ricerca di prove dirette della presenza di onde gravitazionali sono sempre più sensibili. Attualmente la più elevata sensibilità di rilevazione è quella fornita da LIGO.

C’è poi LISA Pathfinder, esperimento spaziale progettato da una collaborazione di ESA e NASA e lanciato nel 2015. Si tratta del precursore della missione eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), che sarà un vero e proprio interferometro spaziale. La sensibilità sarà elevata al punto da rilevare segnali gravitazionali provenienti da sistemi binari di stelle, pulsar e buchi neri.

“Ora stiamo aggiornando i rivelatori, con l’obiettivo di guardare ancora più lontano nel cosmo. Per una comprensione più profonda dell’Universo in cui viviamo” conclude Losurdo.

Il fascino della fusione di binarie miste

Il risultato delle collaborazioni LIGO-Virgo e KAGRA apre la strada alla comprensione di questi rari eventi cosmici e allo studio delle leggi fondamentali della fisica in contesti estremi. Uno degli scenari ipotizzato dai teorici prevede che eventi di fusione di oggetti misti possano verificarsi in regioni dell’universo contraddistinte da un ambiente estremamente caotico e affollato.

Michela Mapelli, professoressa all’Università degli Studi di Padova e ricercatrice della sezione INFN di Padova, spiega:

Questi sistemi sono l’ultimo tassello mancante per ricostruire la demografia delle binarie osservabili da LIGO, Virgo e KAGRA. Le masse di queste binarie miste sono consistenti con lo scenario di evoluzione isolata, in cui il sistema proverrebbe dall’evoluzione di una binaria stellare. Ma anche con lo scenario di formazione dinamica, il risultato di un’interazione ravvicinata tra corpi celesti in un ammasso stellare. Aspettiamo con grande curiosità ulteriori osservazioni di binarie miste, per capire finalmente i loro scenari di formazione.

Lo studio completo è disponibile qui.

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