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Onde gravitazionali: osservata la prima fusione tra un buco nero e una stella di neutroni

29 Giugno 2021

Un nuovo importante tassello della comprensione dell’universo estremo è stato aggiunto dalla ricerca sulle onde gravitazionali. Le collaborazioni scientifiche Virgo, a cui partecipa l’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, LIGO e KAGRA hanno infatti dato oggi, 29 giugno, l’annuncio della prima rivelazione di due eventi di onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due sistemi binari misti composti da un buco nero e una stella di neutroni. Il risultato, pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal Letters, fa riferimento a due segnali registrati nel gennaio 2020 e conferma l’esistenza di una classe di fenomeni previsti dagli astrofisici già da diversi decenni, ma fino a oggi mai osservati. Alla ricerca ha contribuito anche l’astrofisico Mario Spera, ora nello staff scientifico della SISSA e membro della sezione INFN di Padova.

Il 5 gennaio 2020, il rivelatore Advanced LIGO di Livingston, Louisiana, negli Stati Uniti, e Advanced Virgo, l’interferometro italiano situato a Cascina, in provincia di Pisa, hanno osservato il primo evento. Solo dieci giorni più tardi, il 15 gennaio, una seconda onda gravitazionale, analoga alla prima, è stata rivelata da entrambi gli interferometri Advanced LIGO, e ancora una volta da Advanced Virgo. In entrambi i casi, la forma del segnale registrato ha reso possibile la sua attribuzione a un evento avente come protagonisti un buco nero e una stella di neutroni, i quali, al termine di un vorticoso balletto cosmico di avvicinamento che li ha visti ruotare l’uno intorno all’altro, si sono fusi in singolo corpo celeste estremamente compatto.

I segnali, denominati GW200105 e GW200115 - codici che identificano anno, mese e giorno dell’osservazione dell’onda gravitazionale (GW) - hanno fornito importanti informazioni sulle caratteristiche fisiche dei sistemi che li hanno emessi, come le masse delle sorgenti primarie e la distanza di queste ultime rispetto al nostro pianeta. Le analisi di GW200105 hanno infatti mostrato come le masse del buco nero e della stella di neutroni a esso associati fossero, rispettivamente, circa 8,9 e 1,9 volte quella del nostro Sole, consentendo inoltre di stabilire che la loro fusione è avvenuta 900 milioni di anni fa. Per quanto riguarda il secondo segnale, gli scienziati delle collaborazioni Virgo e LIGO hanno invece stimato che GW200115 sia stato prodotto da due corpi celesti di quasi 5,7 (buco nero) e 1,5 (stella di neutroni) masse solari, entrati in collisione circa un miliardo di anni fa. 

“Ci troviamo di fronte alla prima conferma dell’esistenza di un nuovo tipo di sistema astrofisico: una binaria mista composta da un buco nero e una stella di neutroni. Tale conferma ci viene regalata dalle onde gravitazionali”, commenta Mario Spera, membro della collaborazione scientifica Virgo e, da circa un anno, ricercatore presso la SISSA. “Finora, non eravamo riusciti ad avere evidenza dell’esistenza delle binarie miste, nonostante molti studi ne teorizzassero la presenza. Dopo aver aspettato diversi anni, in soli 10 giorni, gli interferometri di Virgo e LIGO hanno rilevato GW200105 e GW200115, eventi riconducibili proprio a binarie miste.”

L’interpretazione astrofisica degli eventi rilevati è avvolta dal mistero. Non è quindi chiaro quale sia stato il canale di formazione e la storia evolutiva degli oggetti che hanno originato GW200105 e GW200115. Future ricerche proveranno a far luce anche su questi aspetti. 

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