immagine pittorica onde gravitazionali da buco nero e stella neutroni

La curiosità del mese

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Ultimo tango di un buco nero e una stella di neutroni

La curiosità del mese di settembre 2019 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - Le regioni del cielo da cui sono arrivate le onde gravitazionali captate nel recente passato. In genere, l’errore nel determinare la direzione di arrivo è molto grande. Ma nel caso dell’evento del 17 Agosto 2017 (GW170817, al centro della figura) la regione era abbastanza piccola. Questo evento è stato generato dalla fusione di due stelle di neutroni, ed è stato associato subito ad un Gamma-Ray Burst visibile a tutte le frequenze dello spettro elettromagnetico. L’evento recente, che si pensa sia la fusione tra un buco nero e una stella di neutroni, proviene da una regione all’incirca uguale a questa (corrisponde allo 0.06% dell’intero cielo, circa 96 Lune piene), ma ancora non abbiamo scoperto la luce associata.
Fig. 1 - Nell’immagine le regioni del cielo da cui sono arrivate le onde gravitazionali captate nel recente passato. In genere, l’errore nel determinare la direzione di arrivo è molto grande. Ma nel caso dell’evento del 17 Agosto 2017 (GW170817, al centro della figura) la regione era abbastanza piccola. Questo evento è stato generato dalla fusione di due stelle di neutroni, ed è stato associato subito ad un Gamma-Ray Burst visibile a tutte le frequenze dello spettro elettromagnetico. L’evento recente (14 agosto 2019), che si pensa sia la fusione tra un buco nero e una stella di neutroni, proviene da una regione all’incirca uguale a questa (corrisponde allo 0.06% dell’intero cielo, circa 96 Lune piene), ma ancora non abbiamo scoperto la luce associata.

900 milioni di anni fa, in una lontana galassia, due stelle orbitavano l’una attorno all’altra. Non erano due stelle normali.
Nella loro breve vita avevano partecipato da protagoniste alla storia del loro angolo di universo.
Erano nate grandi, una con una massa di circa 10 volte quella del Sole, e l’altra il doppio.
Come i grandi cantanti rock avevano vissuto di corsa, e come Jimi Hendrix, Janis Joplin e Jim Morrison erano morte giovani.
Ma dopo la morte come stelle normali, stavano attraversando una nuova vita.
Le incandescenze della loro giovinezza sfrenata, che le aveva portate a generare poderosi venti stellari erano finite, ed erano passati anche i sussulti delle loro atmosfere.
Si erano ritirate a vita privata, in un volume piccolissimo, condensandosi in un modo incredibile, sconosciuto a noi umani.
Una era diventata un buco nero, staccandosi dalla mondanità di una vita appariscente, e l’altra era diventata una stella di neutroni, fermando la sua contrazione ad un passo dall’abisso.
E sono rimaste così, quasi ibernate, per centinaia di milioni di anni, percorrendo infinite volte le loro orbite in una danza che sembrava infinita.
Sembrava, ma non era. Lentamente, orbita dopo orbita, le loro distanze si avvicinavano, come amici che smussano le loro spigolosità, e inesorabilmente i due corpi celesti si trovavano ad essere sempre più vicini.

Fig. 2 - Questa figura rappresenta le masse dei buchi neri che, fondendosi, hanno dato origine alle prime onde gravitazionali captate dalle antenne di LIGO e di VIRGO. Inoltre, si può anche riconoscere l’evento di fusione di due stelle di neutroni, l’unico finora “visto” con la luce che ha prodotto. Ed è anche l’unico che si poteva vedere: nella fusione di due buchi neri non si produce luce: i buchi neri sono neri…
Fig. 2 - Questa figura rappresenta le masse dei buchi neri che, fondendosi, hanno dato origine alle prime onde gravitazionali captate dalle antenne di LIGO e di VIRGO. Inoltre, si può anche riconoscere l’evento di fusione di due stelle di neutroni, l’unico finora "visto" con la luce che ha prodotto. Ed è anche l’unico che si poteva vedere: nella fusione di due buchi neri non si produce luce: i buchi neri sono neri. Crediti: LIGO-VIRGO

Ad orbite più ravvicinate corrispondevano velocità maggiori, fino a quando la danza si è fatta sempre più frenetica, in un sussulto di giovinezza ritrovata.
Lo spazio intorno non poteva rimanere immobile, davanti a tanta manifestazione di forza.
La gravità sempre mutevole intorno ai due corpi danzanti faceva tremare lo stesso tessuto dello spazio.
Se fossimo stati lì vicino, a vedere questo ultimo tango, saremmo rimasti affascinati e allo stesso tempo attoniti, compressi e dilatati, completamente impreparati a tanto spettacolo: lo spazio e il tempo che cambiano seguendo le piroette dei due ballerini, seguendo il ritmo di una musica silenziosa.
E come i ritmi ossessivi che ci ipnotizzano, anche questa danza diventa sempre più frenetica, sempre più veloce, sempre più forte.
I due corpi stanno per toccarsi, per fondersi in uno solo.
Siamo arrivati al culmine. La forza di marea che il buco nero esercita sulla stella di neutroni diventa massima.
Riuscirà a romperla? Dipende dalla massa del buco nero: se è troppo grande, la stella di neutroni potrebbe essere mangiata in un boccone solo, senza rompersi.
Appena inglobata nello stomaco del buco nero lo spazio intorno si calma.
Le onde gravitazionali che schiaffeggiavano lo spazio si placano d’improvviso.
In questo caso nessuna luce viene emessa a testimonianza del "lauto pasto" del buco nero.
Se non fosse per le onde gravitazionali, un misfatto di questa portata passerebbe inosservato, come una mantide religiosa lontana da occhi indiscreti che si mangia il suo compagno dopo l’amore.
Se invece il buco nero non è troppo grande, la stella di neutroni che si sta avvicinando sente una forza di marea così colossale da rompersi, esplodendo in un tripudio di frammenti.
Il grosso dei suoi pezzi cade subito nel vortice senza ritorno. Invece, una piccola percentuale delle viscere della stella di neutroni, ormai incredibilmente calda, viene espulsa a grande velocità.

Fig. 3 - L’antenna gravitazionale Virgo, a Cascina (Pisa). È formato da due bracci perpendicolari lunghi ognuno 3 km, che formano un interferometro. Riesce a misurare la distanza tra le estremità dei bracci con una precisione assolutamente incredibile: frazioni delle dimensioni di un protone. Questo è lo strumento, insieme ai due interferometri simili negli Stati Uniti (chiamati LIGO) che rivela  le onde gravitazionali.
Fig. 3 - L’antenna gravitazionale Virgo, a Cascina (Pisa). È formato da due bracci perpendicolari lunghi ognuno 3 km, che formano un interferometro. Riesce a misurare la distanza tra le estremità dei bracci con una precisione assolutamente incredibile: frazioni delle dimensioni di un protone. Questo è lo strumento, insieme ai due interferometri simili negli Stati Uniti (chiamati LIGO) che rivela le onde gravitazionali. Crediti: LIGO-VIRGO

Una piccola Supernova, che seminerà le regioni circostanti di elementi pesanti appena fatti, ancora caldi.
Oro, argento, uranio, cobalto: si apre la gioielleria cosmica.
La luce prodotta durante l’esplosione della stella di neutroni e della piccola supernova comincia il suo viaggio inseguendo da vicino le increspature dello spazio e trasportando la testimonianza visibile dell’evento.
Dopo 900 milioni di anni le increspature dello spazio, le onde gravitazionali, incontrano la nostra Terra.
Fanno oscillare per un brevissimo periodo le antenne in America e in Italia, e si fanno riconoscere.
Trasportano la storia dell’evento.
In esse c’è scritto non solo la data di quando è successo, e dove, ma anche la massa dei due ballerini.
Che l’Uomo sia riuscito a captare questi segnali e a decodificarli fa gridare al miracolo.
Ma i segnali luminosi che dovrebbero seguire a ruota? Li abbiamo visti?
Non ancora. Tutti i telescopi stanno, proprio adesso, scandagliando la regione del cielo da dove ci si aspetta che emergano.
È una regione grande come cento Lune piene. Non piccola, ma neanche proibitivamente grande.
Se vedremo qualcosa, sarà la conferma che la stella di neutroni, prima di accoppiarsi al buco nero, è stata dilaniata ed è esplosa.
Se non vediamo niente, possiamo dire che è stata mangiata intera.
Oppure che in fondo non era una stella di neutroni, ma un altro buco nero più piccolo di quanto pensassimo.
In ogni caso impareremo qualcosa di importante.



Per saperne di più:

L’ultima fusione tra un buco nero e una stella di neutroni - Blog Italia dell’Agenzia giornalistica italiana (18/08/2019)
Buco nero e stella di neutroni, fusione avvenuta? - Media Inaf (19/08/2019)

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