Per la prima volta è stata osservata l’onda gravitazionale prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni, e la radiazione elettromagnetica generata nel corso dello stesso evento cosmico. Ciò è stato possibile grazie alla sinergia tra le antenne gravitazionali LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory, in USA) e Virgo (European Gravitational Observatory, in Italia), e alla collaborazione con circa 70 telescopi e radiotelescopi terrestri e satellitari.
L’onda gravitazionale, denominata GW170817, è stata registrata il 17 agosto 2017 alle 8:41 a.m. EDT (14:41 ora italiana) dalle antenne gravitazionali gemelle LIGO, situate ad Hanford (WA) e Livingston (LA), USA. L’antenna gravitazionale Virgo (Cascina, Italia) ha captato un segnale più debole, a causa del suo orientamento sfavorevole al momento dell’osservazione, ma ha permesso, combinando i segnali e i tempi di arrivo con quelli di LIGO, di stimare per triangolazione la posizione della sorgente sulla sfera celeste con precisione significativamente maggiore, in un’areola di circa (28°)2 dell’emisfero meridionale della sfera celeste, alla periferia della galassia NGC4993.
Circa due secondi dopo, lo strumento GRBM (Gamma Ray Burst Monitor) a bordo del telescopio satellitare Fermi della NASA ha captato un lampo di raggi gamma proveniente dalla medesima direzione, confermato dagli strumenti a bordo del satellite INTEGRAL dell’ESA.
L’analisi dei dati di LIGO e Virgo ha permesso anche di stimare la distanza dalla Terra, pari a circa 130 milioni di anni luce, e la natura della sorgente: un sistema binario costituito da stelle con masse stimate di 1.1 e 1.6 masse solari, compatibili con l’ipotesi che si tratti di stelle di neutroni.
I risultati di ottenuti da LIGO e Virgo sono pubblicati oggi su Physical Review Letters; ulteriori lavori della collaborazione LIGO-Virgo con la comunità degli astronomi relativi all’evento sono in fase di revisione o in corso di stampa su varie riviste.
IMPORTANZA DELL’OSSERVAZIONE
Le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi e compatti conosciuti e sono il residuo delle esplosioni (note come supernovae) conseguenti al collasso di stelle massive. Una stella di neutroni ha un diametro di circa 20 Km, e una densità così alta che un cucchiaino del materiale di cui è composta ha una massa di circa un miliardo di tonnellate.
Nella fase finale del processo osservato, in cui le stelle di neutroni del sistema binario percorrevano un’orbita sempre più stretta con velocità crescente, il sistema ha irradiato onde gravitazionali (increspature dello spazio-tempo) che hanno attraversato la finestra spettrale delle antenne gravitazionali per circa 100 secondi, prima di collidere formando infine un unico oggetto super-denso, emettendo un potente lampo di raggi gamma (fireball). Per confronto, la coalescenza di un sistema binario di buchi neri, come quelli già osservati negli ultimi mesi dalle antenne LIGO e Virgo, produce un’onda gravitazionale che attraversa la finestra spettrale delle antenne per una frazione di secondo, e non è accompagnata da un lampo di radiazione gamma.
“E’ stato subito chiaro che la sorgente era probabilmente una binaria di stelle di neutroni, l’altra classe di sorgenti [oltre i buchi neri] che speravamo e ci ripromettevamo di osservare,” afferma David Shoemaker (MIT), portavoce della LIGO Scientific Collaboration (LSC). “Questo evento è ricchissimo di informazioni, sia sulla struttura interna delle stelle di neutroni, e le emissioni che esse producono, sia su aspetti di Fisica fondamentale, quali la Relatività Generale; e continuerà a regalarci informazioni.”
“Questa osservazione sarà ricordata come uno degli eventi cosmici più studiati,” aggiunge Laura Cadonati (Georgia Tech), portavoce vicario della LSC, “e apre davvero le porte a un nuovo modo di fare Astrofisica.”
L’osservazione combinata del lampo di raggi gamma e delle onde gravitazionali conferma le previsioni della Teoria della Relatività Generale di Einstein, secondo cui le onde gravitazionali si propagano con la velocità della luce e il nesso tra “short gamma-ray bursts” e coalescenza di stelle di neutroni.
“Per decenni abbiamo sospettato che gli “short gamma-ray bursts” fossero prodotti dalla coalescenza di stelle di neutroni,” dichiara Julie McEnery (NASA Goddard Space Flight Center). “Ora gli straordinari dati di LIGO e Virgo per questo evento ci forniscono la risposta. Le onde gravitazionali osservate ci dicono che si tratta di stelle di neutroni; e il lampo di raggi gamma non poteva essere prodotto da buchi neri, che non emettono luce.”
La localizzazione rapida e molto precisa della sorgente mediante i dati delle antenne LIGO e Virgo e del satellite Fermi ha permesso il puntamento di numerosi altri “telescopi”, terrestri e satellitari, che hanno iniziato e continuato a monitorare l’emissione elettromagnetica in diverse bande spettrali (X, UV, visibile, IR e radio).
“Tra tutte le osservazioni di onde gravitazionali ottenute finora, questa è quella per cui abbiamo ottenuto la localizzazione più precisa della sorgente,” afferma Jo van den Brand (Nikhef e VU University), portavoce della Collaborazione Virgo, “Ciò ha permesso agli astronomi di condurre ulteriori osservazioni del fenomeno, che hanno fornito un gran numero di risultati di straordinaria importanza.”
Il prodotto della coalescenza di due stelle di neutroni è una “kilonova” — nome che designa l’insieme di fenomeni che seguono il violento rilascio di materiali successivo alla collisione. Il materiale proiettato a grande distanza nello spazio circostante continua ad emettere luce (afterglow), e si ritiene che in esso abbiano luogo fenomeni di nucleosintesi, in cui si formano gli elementi chimici più pesanti del ferro.
L’analisi spettroscopica dei dati raccolti fin qui dai telescopi Gemini (USA), VLT (ESO), e Hubble (NASA) ha confermato la presenza di elementi pesanti, quali oro e platino.
Se un mistero appare risolto, altri se ne pongono. Il lampo gamma osservato appare sorprendentemente debole, considerata la piccola distanza della sorgente dalla Terra, ma ciò può essere dovuto al carattere fortemente direzionale dell’emissione.
“È terribilmente emozionante aver assistito a un evento raro che modifica la nostra comprensione dei meccanismi dell’Universo” dichiara France A. Córdova, Direttore della National Science Foundation (NSF), ente finanziatore di LIGO. “Questa scoperta consegue un risultato lungamente inseguito: l’osservazione di un evento cosmico raro sia mediante osservazioni tradizionali sia mediante le onde gravitazionali. Solo grazie all’impegno quarantennale di NSF sulla ricerca delle onde gravitazionali, insieme ai telescopi che osservano la radiazione elettromagnetica dalle frequenze radio ai raggi gamma, oggi siamo in grado di accrescere la nostra capacità di scoprire fenomeni cosmici nuovi, componendo un nuovo scenario delle fasi finali dell’evoluzione stellare.”
“Questo risultato dimostra l’efficacia del lavoro di squadra, l’importanza del coordinamento, e il valore della cooperazione scientifica,” dichiara Federico Ferrini, direttore dello European Gravitational Observatory (EGO), il laboratorio che ospita l’antenna Virgo. “Siamo felici di aver fatto la nostra parte in questa sfida scientifica straordinaria: senza Virgo sarebbe stato molto difficile identificare con tale precisione la posizione della sorgente.”
“Quando iniziammo a progettare LIGO, alla fine degli anni ’80 del secolo scorso, sapevamo che avremmo avuto bisogno di una rete di antenne su scala mondiale per localizzare le sorgenti in modo tale che gli Osservatori che esplorano lo spettro elettromagnetico potessero seguire l’evoluzione di eventi come questo,” dichiara Fred Raab (Caltech), associate director di LIGO per la gestione degli Osservatori. “Oggi possiamo affermare che la nostra rete di antenne gravitazionali, in brillante sinergia con i telescopi terrestri e satellitari che osservano la radiazione elettromagnetica, lavora per introdurre una nuova era nell’astronomia; e la rete migliorerà ancora con la prevista entrata in funzione di antenne gravitazionali in Giappone e in India.”
LIGO e Virgo hanno affrontato nei mesi scorsi una lunga fase di potenziamento e aggiornamento a nuove, più sensibili configurazioni “avanzate”. Al momento dell’osservazione, Advanced LIGO era prossimo al termine del suo secondo ciclo di osservazioni (O2); e Advanced Virgo aveva da poco iniziato il primo.
“Questa osservazione, che attendevamo da tempo, inaugura la Multimessenger Astronomy,” conclude David H. Reitze (Caltech), direttore esecutivo del LIGO Laboratory. “E’ la prima volta che osserviamo un cataclisma cosmico utilizzando due messaggeri cosmici: le onde elettromagnetiche e le onde gravitazionali. L’Astronomia basata sulle onde gravitazionali offre nuove vie per comprendere la fisica delle stelle di neutroni, che sarebbero precluse con la sola osservazione elettromagnetica.”
GLI ESPERIMENTI
LIGO è finanziato dalla National Science Foundation (NSF), e condotto dal California Institute of Technology (Caltech) e dal Massachussetts Institute of Technology (MIT), che hanno concepito il progetto, e guidato la realizzazione di LIGO e Advanced LIGO. Il supporto finanziario di Advanced LIGO, è stato fornito principalmente dalla NSF, con contributi significativi da Germania (Max Planck Society), Regno Unito (Science and Technology Facilities Council) e Australia (Australian Research Council). Più di 1200 ricercatori provenienti da un centinaio di Istituzioni in tutto il mondo partecipano al progetto attraverso la LIGO Scientific Collaboration, che comprende le Collaborazioni GEO e OzGrav, e altri Partner.
La Collaborazione Virgo conta oltre 280 fisici e ingegneri da 20 diversi gruppi di ricerca Europei: sei dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, otto dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia, due in Olanda (Nikhef); il gruppo MTA Wigner RCP in Ungheria, il gruppo POLGRAW in Polonia; in Spagna l‘Universita‘ di Valencia, e lo European Gravitational Observatory (EGO), finanziato da CNRS, INFN e Nikhef, che ospita l’antenna Virgo nei pressi di Pisa, in Italia.
IL CONTRIBUTO DELL’UNIVERSITÀ DEL SANNIO
L’Università del Sannio partecipa dal 2005 alla Collaborazione Scientifica LIGO attraverso il gruppo di ricerca guidato dal professor Innocenzo M. Pinto, che è anche membro della collaborazione giapponese KAGRA, ed è stato tra i proponenti dell’esperimento Virgo.
Si deve al gruppo del professor Pinto il progetto degli specchi dicroici di Advanced LIGO, realizzati dal Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA – CNRS/IN2P3) di Lione (FR), utilizzati anche in Advanced Virgo, basato su un metodo originale, sviluppato dai ricercatori del gruppo di Unisannio e testato in collaborazione col California Institute of Technology, per la minimizzazione del rumore termico in multistrati dielettrici ad altissima riflettività.
In particolare, il team di ricercatori sanniti è composto da Vincenzo Pierro, docente dell’ateneo sannita e responsabile locale INFN sezione Virgo, Vincenzo Galdi, Maria Principe, laureata all’Università del Sannio, Giuseppe Castaldi, Luigi Troiano, Massimo Moccia, Elena Mejuto. Inoltre, alcuni studenti dell’ateneo hanno avuto la possibilità di partecipare all’esperimento sulle onde gravitazionali svolgendo un tirocinio al California Institute of Technology. Tra questi: la stessa Principe, oggi nel gruppo di ricerca, Ilaria Taurasi, Mariapaola Clarizia, Antonella Iuorio, Livia Cerullo e Maria Ascione.
Le attività del gruppo sono state finanziate da UE (ELiTES – FP7), MIUR, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Regione Campania.