Virgo e LIGO scoprono le coppie buco nero – stella di neutroni

Virgo, LIGO e KAGRA aggiungono un altro pezzo mancante alla nostra conoscenza dei fenomeni cosmici estremi: la prima osservazione diretta di coppie composte da un buco nero e una stella di neutroni. Questo rappresenta un tipo di sistema completamente nuovo, poiché le onde gravitazionali rilevate finora sono state generate da coppie di buchi neri o coppie di stelle di neutroni. È una scoperta che ci fornisce nuove conoscenze sui complessi meccanismi che possono aver generato questi eventi estremi e rari e, insieme alle precedenti rivelazioni di Virgo e LIGO, inizia a far luce su un paesaggio cosmico ancora inesplorato.

Le collaborazioni scientifiche Virgo, LIGO e KAGRA hanno annunciato oggi la prima osservazione in assoluto di sistemi binari composti da un buco nero e una stella di neutroni (NSBH). Ciò è stato reso possibile dalla rivelazione, nel gennaio 2020, di segnali gravitazionali emessi da due sistemi in cui un buco nero e una stella di neutroni, ruotando uno intorno all’altra, si sono fusi in un unico oggetto compatto. L’esistenza di questi sistemi era stata prevista dagli astronomi diversi decenni fa, ma non erano mai stati osservati con sicurezza, né attraverso segnali elettromagnetici né gravitazionali, fino ad ora. Il risultato e le sue implicazioni astrofisiche sono stati pubblicati oggi su The Astrophysical Journal Letters.

Il 5 gennaio 2020, il rivelatore Advanced LIGO a Livingston, Louisiana negli Stati Uniti, e il rivelatore Advanced Virgo in Italia, hanno osservato un’onda gravitazionale prodotta dalle ultime orbite in decadimento, prima della fusione, di una coppia NSBH; appena dieci giorni dopo un secondo segnale di onde gravitazionali dalla fusione di un sistema binario simile, è stato osservato, questa volta da entrambi i rivelatori Advanced LIGO e dal rivelatore Virgo. Questi due eventi, soprannominati GW200105 e GW200115 (dalle date del loro rilevamento), rappresentano le prime osservazioni di onde gravitazionali generate da un mix di stelle di neutroni e buchi neri. Due segnali gravitazionali passati (GW190814 e GW190426) sono stati considerati candidati NSBH, ma senza un sufficiente livello di fiducia.

“I sistemi di stelle di neutroni doppie sono stati osservati per la prima volta nella Via Lattea nel 1974 monitorando gli impulsi di onde radio emessi dalle stelle di neutroni, note come radio pulsar. Gli astronomi hanno trascorso decenni alla ricerca di radio pulsar in orbita intorno ai buchi neri, ma non ne hanno trovato nessuno nella Via Lattea fino ad ora” dice Astrid Lamberts, ricercatrice del CNRS della collaborazione Virgo presso i laboratori Artemis e Lagrange, a Nizza “Le coppie di buchi neri e stelle di neutroni erano davvero per gli astronomi la ‘binaria mancante’. Con questa nuova scoperta, possiamo finalmente iniziare a capire quanti di questi sistemi esistono, quanto spesso si fondono, e perché non abbiamo ancora visto esempi nella Via Lattea”.

I segnali gravitazionali rilevati a gennaio codificano preziose informazioni sulle caratteristiche fisiche dei sistemi, come la massa e la distanza delle due coppie NSBH, così come sui meccanismi fisici che li hanno generati e li portano al collasso. L’analisi del segnale ha mostrato che il buco nero e la stella di neutroni che hanno creato GW200105 sono, rispettivamente, circa 8,9 volte e 1,9 volte la massa del nostro Sole (Mo) e la loro fusione è avvenuta circa 900 milioni di anni fa, centinaia di milioni di anni prima della comparsa dei primi dinosauri sulla Terra. Per l’evento GW200115, gli scienziati di Virgo e LIGO stimano che i due oggetti compatti avevano masse di circa 5,7 Mo (BH) e 1,5 Mo (NS) e che si sono fusi quasi 1 miliardo di anni fa.

La massa più pesante stimata in entrambi i casi rientra nell’intervallo previsto per i buchi neri dai modelli di evoluzione stellare. La massa più leggera è anche coerente con le stelle di neutroni e questi risultati indicano che entrambi i sistemi rilevati sono coppie NSBH, anche se hanno diversi livelli di confidenza. A questo proposito, anche se la significatività statistica di GW200105 non è molto alta, la “forma” del segnale così come i parametri dedotti dalle analisi, portano i ricercatori a credere nella sua origine astrofisica.

“Una grande quantità di lavoro e di risorse computazionali è stata dedicata a questa stima dei parametri. Infatti un problema cruciale nell’analisi dei dati registrati dai rivelatori di onde gravitazionali è quello di distinguere le informazioni utili, che si mescolano sempre al rumore”, ha detto Giancarlo Cella, ricercatore INFN e coordinatore dell’analisi dei dati di Virgo. “Abbiamo bisogno di ottenere le nostre migliori stime per le proprietà delle sorgenti e allo stesso tempo vogliamo sapere qual è la probabilità che il segnale identificato possa essere solo una fluttuazione casuale”

Un’ulteriore prova della rilevazione di un sistema misto stella di neutroni buco nero sarebbe stata la rilevazione della radiazione elettromagnetica insieme alle onde gravitazionali. Infatti, se le masse dei due oggetti compatti sono all’incirca comparabili, la stella di neutroni, mentre si avvicina al buco nero, è sottoposta a forze di marea così potenti da essere distrutta. In questo caso, oltre alle emissioni gravitazionali, si potrebbero osservare anche spettacolari emissioni di radiazione elettromagnetica, dovute alla disintegrazione della materia stellare attorno al buco nero: un meccanismo simile a quello che porta alla formazione di dischi di accrescimento attorno ai buchi neri giganti al centro delle galassie. Questo probabilmente non si è verificato né per GW200105 né per GW200115, perché in entrambi i casi la massa del buco nero era troppo grande, quindi una volta che la distanza tra i due oggetti è stata sufficientemente ridotta, il buco nero ha, per così dire, ingoiato la sua compagna in un sol boccone.
“Abbiamo ottenuto la prova che la nostra sensibilità è ora al di sopra della soglia necessaria per rilevare sistemi di questo tipo”, ha sostenuto Cella, “e ci aspettiamo che lo faremo di regolarmente nei prossimi run”.

Disegnare un nuovo paesaggio cosmico

“Il fatto che ora abbiamo rilevato i tre tipi di binarie ci aiuterà a sviluppare teorie che spieghino in modo coerente le proprietà di tutte”, ha aggiunto Astrid Lamberts “Infatti, questa scoperta ci permette di approfondire la nostra conoscenza dei fenomeni più estremi dell’Universo, aiutandoci a capire meglio quali meccanismi possono averli generati.”

Il risultato annunciato oggi, insieme alle decine di rivelazioni fatte da Virgo e LIGO fino ad oggi, ci permettono, per la prima volta, un’osservazione ravvicinata di alcuni dei fenomeni più violenti e rari dell’Universo e di tracciare un quadro senza precedenti delle regioni affollate e caotiche che sono uno dei possibili ambienti dove avvengono questi eventi. Inoltre, le informazioni dettagliate che abbiamo iniziato a raccogliere sulla fisica dei buchi neri e delle fusioni stellari ci danno la possibilità di testare le leggi fondamentali della fisica in condizioni estreme, che ovviamente non saremo mai in grado di riprodurre sulla Terra.

“La scoperta annunciata oggi è un’altra gemma nel tesoro della terza serie di osservazioni LIGO-Virgo”, ha dichiarato Giovanni Losurdo, portavoce di Virgo e ricercatore dell’INFN. “LIGO e Virgo continuano a svelare collisioni catastrofiche, che non sono mai state osservate prima, facendo luce su un paesaggio cosmico veramente nuovo. Ora stiamo potenziando i rivelatori con l’obiettivo di guardare molto più in profondità nel cosmo, alla ricerca di nuove gemme, cercando una comprensione più profonda dell’universo in cui viviamo”.

https://www.ligo.org/science/Publication-NSBH/index.php 

Images:

Rainbow Swirl Refracted: Rainbow Swirl is an artistic image inspired by a Black Hole Neutron Star merger event. Credit: Carl Knox, OzGrav -Swinburne University

Voxel Burst: Voxel Burst is an artistic interpretation of a generic Black Hole Neutron Star merger event. Credit: Carl Knox, OzGrav -Swinburne University

BHNS tidaldisruption: BHNS simulation with tidal disruption. Scientific visualization: T. Dietrich (Potsdam University and Max Planck Institute for Gravitational Physics), N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer (Max Planck Institute for Gravitational Physics), T. Vu. Numerical-relativity simulation: S.V. Chaurasia (Stockholm University), T. Dietrich (Potsdam University and Max Planck Institute for Gravitational Physics))