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Buchi neri che 'ingoiano' stelle di neutroni: L’osservatorio VIRGO ha visto cose voi umani…

CC0 / / Black hole
Black hole - Sputnik Italia, 1920, 29.06.2021
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Le onde gravitazionali di due separati eventi di fusione di un buco nero con una stella di neutroni sono state osservate dall'Osservatorio Gravitazionale Europeo Virgo in provincia di Pisa e dall’osservatorio LIGO negli Stati Uniti. Si tratta delle prime conferme documentate di eventi di questo tipo nel Cosmo.
“Navi da combattimento in fiamme al largo dei bastioni di Orione, e raggi B balenare nel buio vicino alle porte di Tannhäuser”, sì, ma neppure il replicante Roy in Blade Runner aveva mai visto un buco nero inghiottire una stella di neutroni.
L’Osservatorio Gravitazionale Europeo, il VIRGO, nel comune di Cascina, provincia di Pisa, e l'osservatorio LIGO negli Stati Uniti, hanno rilevato due segnali straordinari provenienti dallo Spazio profondo - uno il 5 gennaio 2020 e un altro dieci giorni dopo.
Questi osservatori sono interferometri su scala chilometrica in grado di misurare la minuscola espansione e contrazione dello spazio-tempo che si verifica quando un'onda gravitazionale attraversa la Terra. Ma per gustare al meglio la complessità e golosità di questa scoperta, sarà necessario procedere con ordine.

Onde gravitrazionali

Un’onda gravitazionale è una perturbazione dello spaziotempo che si propaga con carattere ondulatorio. Venne prevista per la prima volta nel 1916 nell'ambito della teoria della relatività generale di Einstein.
Si tratta in pratica di una forma di radiazione ondulatoria generata da macro fenomeni cosmici, in cui enormi masse variano la propria distribuzione in modo repentino, come può avvenire con l’esplosione di una supernovae o con la collisione di stelle di neutroni e buchi neri. Questa radiazione testimonia una contrazione / espansione alternata del campo gravitazionale.
Per fare un esempio semplice, immaginando l’Universo come uno stagno, le onde gravitazionali sono onde che testimoniano che da qualche parte qualcuno deve aver tirato un sasso nello stagno.

VIGO e LIGO

A partire dalla fine degli anni sessanta vennero realizzati diversi rivelatori di onde gravitazionali ma per ottenere la prima rilevazione certa si è dovuto attendere l'11 febbraio 2016 grazie alla collaborazione LIGO/VIRGO, che nel settembre 2015 aveva misurato onde gravitazionali causate dalla collisione di due buchi neri. Proprio quella verifica sperimentale dell'esistenza delle onde gravitazionali fornì un'ennesima conferma della teoria della relatività generale.
LIGO-Virgo ha successivamente registrato anche fusioni di coppie di stelle di neutroni ma questa è la prima volta che è testimone di una fagocitazione di una stella di neutroni da parte di un buco nero.

Stelle di neutroni

Le stelle di neutroni sono oggetti celesti tra i più strani e spettacolari del Cosmo. Sono costituite, come dice la parola stessa, da neutroni tenuti insieme dalla sola forza della gravità. Sono il risultato del collasso gravitazionale del nucleo di una stella massiccia di almeno 10 masse solari, che fa seguito alla cessazione delle reazioni di fusione nucleare per l'esaurimento degli elementi leggeri al suo interno, e rappresenta pertanto l'ultimo stadio di vita di stelle con massa molto grande.
Per rendere un’idea della loro particolarità basti pensare che la loro dimensione solitamente non supera i 30 chilometri di diametro, quanto una città, ma possiedono una massa compresa tra le 1,4 e 3 masse solari. Quindi la sua densità è enorme.
L'immensa forza gravitazionale, non più contrastata dalla pressione termica delle reazioni nucleari che erano attive nel corso della vita della stella, schiaccia i nuclei atomici fra loro portando a contatto le particelle subatomiche, fondendo gli elettroni con i protoni trasformandoli in neutroni. La materia che forma le stelle di neutroni si presume per altro che sia diversa dalla materia ordinaria, e non ancora del tutto compresa.

Entusiasmo degli scienziati per la scoperta

"Finalmente abbiamo l'ultimo pezzo del puzzle: i buchi neri che inghiottono intere stelle di neutroni", ha detto Vivien Raymond, membro del team LIGO-Virgo, del Gravity Exploration Institute dell'Università di Cardiff. "Questa osservazione completa davvero la nostra immagine degli oggetti più densi dell'Universo e della loro ‘dieta’", ha aggiunto con una immagine metaforica il coautore dello studio pubblicato sul Astrophysical Journal Letters.
Il primo dei due eventi è stato chiamato GW200105 e gli scienziati ritengono che abbia coinvolto la fusione di un buco nero di 9 masse solari con una stella di neutroni di massa solare 1,9. Essendo stato visto solo in due dei tre rilevatori LIGO-Virgo (LIGO Livingston e Virgo, LIGO Hanford era offline in quel momento), pur essendo il segnale abbastanza forte da raggiungere la soglia di rilevamento, è stato difficile per i ricercatori stabilire con buona approssimazione da che parte del Cosmo provenisse. Gli scienziati sono tuttavia riusciti a calcolare con buona approssimazione che la fusione sia avvenuta a circa 900 milioni di anni luce di distanza da noi.
Il secondo evento è stato chiamato GW200115 e si è verificato a circa 1 miliardo di anni luce di distanza e ha coinvolto un buco nero di 6 masse solari e una stella di neutroni di 1,5 massa solare. Poiché è stato individuato da tutti e tre i rilevatori, i ricercatori sono stati in grado di restringere la sua posizione nel cielo a un'area di circa 3000 volte la dimensione di una Luna piena.

Bello ma niente fuochi di artificio

Le grandi scosse gravitazionali non necessariamente devono essere accompagnate da grandi manifestazioni visive. Questo il motivo per cui il team LIGO-Virgo ha avvertito gli altri osservatori su dove puntare approssimativamente i telescopi tradizionali ma nessuno ha visto manifestazioni di luce.
A differenza delle esplosioni di supernovae, o anche gli scontri tra stelle di neutroni, le fagocitazioni di stelle di neutroni da parte di buchi neri non emettono luce. Il buco nero se la ‘manda giù’ con poca materia che viene espulsa all’esterno.
D’altra parte la definizione astrofisica di ‘buco nero’ è proprio quella di un corpo celeste con un campo gravitazionale così intenso da non lasciare sfuggire né la materia, né la radiazione elettromagnetica. Una regione dello spaziotempo con una curvatura sufficientemente grande che nulla dal suo interno può uscirne, nemmeno la luce.
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