In agosto, nel mezzo dell'insopportabile calura estiva, é successa una cosa nuova. Alcuni astrofisici erano in ferie ma, tramite i loro telefoni cellulari, restavano in contatto tra loro e con il centro di raccolta dati dell'INAF , l'istituto nazionale di astrofisica.
I messaggi scambiati tramite un'applet, sorta di versione per nerd di Whatsapp, erano entusiasti: era stato registrato il quinto probabile evento di rilevazione di onde gravitazionali.
Che succedesse un fatto del genere era, in qualche modo, atteso.
Sì, perché altre quattro volte il "chirp" nel rumore di fondo aveva annunciato uno scontro di titani: enormi buchi neri, in stretta spirale, si erano fusi in brevissimo tempo, gridando la loro rabbia sotto forma di onde gravitazionali sempre più forti fino ad essere rilevate dai sistemi terrestri. Un picco, un "chirp", appunto.
Stavolta però le cose andavano per le lunghe, il profilo dell'emissione era diverso, quindi stava succedendo qualcosa di diverso: dai modelli almeno uno dei due partecipanti al merger poteva/doveva essere una stellina di neutroni.
Inciso 1
Per capirci: un buco nero é un mostro che tutto ingoia. Materia ed energia sono il suo cibo. Più mangia e più si accresce. Poiché nulla, una volta superato l'orizzonte degli eventi, sfugge dalla sua stretta, noi non vediamo alcuna emissione diretta.
Possiamo però rilevare gli effetti della sua voracità. Quando una nube di gas o una stella si avvicinano al nero cancello vengono stirate, e sfrigolano come su una graticola spaziale emettendo raggi X. In realtà qualcosa emetterebbe anche il buco nero, la cosiddetta radiazione di Hawking, ma di quasi impossibile rilevazione (*)
Due buchi neri che si fondono non hanno superfici che collidono, quando si fondono vibrando, liberano una enorme energia sotto forma di onde gravitazionali ma non ci sono contatti, non ci sono BUUUM!
Le stelle di neutroni invece, pur dense a un livello inimmaginabile (un cucchiaino di una di esse peserebbe come una montagna) cozzano l'una contro l'altra. La loro coalescenza é accompagnata da un'esplosione. Inoltre sono molto più leggere dei buchi neri, un breve intervallo nello stato della materia densa prima del baratro che porta alla singolarità (delle equazioni della relatività e della realtà fisica).
A poco a poco, la voce di un possibile merger in cui fosse implicata una stella di neutroni si sparge. Fioccano le conferme, per ora solo teoriche, e la comunità degli astrofisici é eccitatata, quasi fossero tanti adolescenti di fronte alla bella della scuola..
C'é un'altra differenza con le altre volte: in questo caso i rilevatori sono tre; i due LIGO negli States e Virgo in Italia, vicino Pisa.
Con tre strumenti si può provare a triangolare una posizione. Viene quindi individuata una zona verso la quale guardare. In un amen tutti gli strumenti ottici si buttano ad osservare cercando la mitica controparte ottica, in un amen la trovano. Una pletora di telescopi da terra osservano nello spettro visibile e infrarosso, ma sono intervenuti anche i telescopi spaziali come INTEGRAL, Fermi e Swift che scandagliano il cielo alla ricerca di gamma-burst, i più potenti tra i fari cosmici, e sono proprio gli strumenti orbitanti i primi che scorgono qualcosa. Partecipa anche il telescopio spaziale Hubble.
Inciso 2
I gamma bust sono tra gli eventi più energetici rilevati dalla Terra. Sono come dei flash cosmici abbastanza collimati da giacere su un asse relativamente ristretto. Un raggio della morte con fotoni ad altissima energia e un mistero intrigante per gli astronomi.
Nel tempo ne sono state individuate due tipologie: lunghi e brevi. I primi sono attribuibili, presumibilmente, a supernove di tipo II (morte di stelle massicce); per i secondi i modelli fanno propendere per la fusione di stelle di neutroni. In entrambi i casi l'emissione di particelle avviene nelle regioni polari e quindi é fortemente direzionale
I telescopi orbitanti hanno fatto bingo. Nel settore da cui era partita l'onda, con 2 secondi di ritardo su 130 milioni di anni luce parte un gamma-bust breve. Poi in meno di un'ora tutti gli strumenti da terra e Hubble vedono una stella nova in una galassia ellittica a 130 milioni di anni luce da noi. Quindi in ordine di tempo troviamo: il segnale gravitazionale, 2 secondi dopo il gamma burst breve e infine si trova anche il segnale nelle lunghezze d'onda del visibile e dell'infrarosso. In pratica é come se, durante un temporale si sentisse il tuono prima di vedere il fulmine, anche se, in questo caso fotoni e onde gravitazionali si muovono entrambi alla medesima velocità (quella della luce) fino a prova contraria
Ma, esattamente, cos'é quello che si "vede"?
Lo studio spettrometrico della luce (una sorta di impronta digitale) é compatibile con una Kilonova...
Ok, questa é roba nuova per me.
Ho letto che gli specialisti la definiscono così perché é un'esplosione particolarmente potente ma che emette energia soprattutto nella banda infrarossa della luce quella, diciamo, meno appariscente per noi. Nell'espansione della palla di plasma la spettrometria ha individuato in diretta la formazione di nuclei pesanti per accrescimento. Oro, selenio, uranio etc, tutti gli elementi più pesanti del ferro che non possono formarsi nelle fucine a fusione delle stelle sono stati individuati. Gli stessi nuclei pesanti "arrossano" l'emissione di fotoni in banda visibile, shiftandola verso l'infrarosso (come non so).
Riassumendo:
- Per la prima volta si é potuto triangolare un segnale gravitazionale che, per le sue caratteristiche, faceva supporre la presenza di almeno una stella di neutroni.
- É stato possibile associare, in tempo reale (2 secondi di differenza su 130 milioni di anni luce) un gamma bust breve associato, prodotto, secondo i modelli, dalla coalescenza di due stelle di neutroni.
- Dopo poco tempo é stata osservata una emissione luminosa ottica la cui firma spettrometrica corrispondeva con quella prevista da una kilonova, esito previsto dai modelli per l'evento già detto.
- É stato possibile osservare le curve di assorbimento spettrometrico di elementi pesanti avere una conferma delle ipotesi di nucleo sintesi per elementi più pesanti del ferro in questi eventi.
- Per la prima volta si é ascoltato(**) e visto contemporaneamente il medesimo processo.
(*) lo spazio é zeppo di coppie particella-antiparticella che continuamente emergono dal nulla e si annichilano subito dopo non modificando l'energia totale del sistema (altrimenti si potrebbe generare energia dal nulla ed esisterebbe il moto perpetuo). Queste particelle non sono un esperimento filosofico, il loro effetto nuvola é stato misurato. Quando questa nascita gemellare ha luogo vicino a un buco nero la più sfortunata delle due può essere catturata dall'orizzonte degli eventi. In pratica la coppia scoppia e la rimanente da particella virtuale diviene reale e fugge nel cosmo. Poiché l'energia totale di un sistema rimane costante il buco nero perde massa (poca poca). Secondo i calcoli di Hawking (chiedete a lui in caso di dubbi) la frequenza di radiazione del buco nero é inversamente proporzionale alla sua massa, cioè più il buco nero é piccolo più perde massa rapidamente fino a raggiungere dimensioni subatomiche e terminare la propria esistenza in un flutto di fotoni ad altissima energia o secondo alcuni si potrebbe anche stabilizzare giunto alla lunghezza di Planck.
(**) in senso lato, le onde gravitazionali non sono sonore. La guida d'onda di un segnale sonoro é la materia. La guida d'onda di un segnale gravitazionale é lo spazio stesso.
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