Nel 2017, due stelle di neutroni si sono fuse insieme in una galassia a 130 milioni di anni luce di distanza. Ora abbiamo osservato un getto ultraveloce che si muoveva quasi alla velocità della luce, il che significa che deve aver sfondato senza ostacoli il guscio della materia espulsa. (BEABUDAI DESIGN)

La fusione delle stelle di neutroni ha creato un getto inarrestabile e si muove quasi alla velocità della luce

Nel 2017, abbiamo visto le onde gravitazionali una fusione di stelle di neutroni per la prima e unica volta. E continua a diventare più interessante.

Il 17 agosto 2017, un segnale cosmico è arrivato sulla Terra che cambierebbe per sempre il modo in cui abbiamo visto l'Universo. Oltre 100 milioni di anni prima, due stelle di neutroni legate nella lontana galassia NGC 4993 finivano per ispirare e si fondevano insieme, creando una stupenda esplosione cosmica quando lo fecero. L'evento è ora noto come kilonova ed è ritenuto responsabile della creazione degli elementi più pesanti presenti in tutto l'Universo.

L'ispirazione e la fusione hanno creato due segnali che siamo stati in grado di rilevare praticamente contemporaneamente: onde gravitazionali, rilevabili con LIGO e Vergine, e radiazioni elettromagnetiche, o luce, attraverso l'intera gamma di lunghezze d'onda che siamo in grado di osservare. Ma c'è anche qualcos'altro emesso: la materia. Oggi, in un nuovo articolo pubblicato su Science, gli scienziati hanno stabilito che è stato prodotto un enorme getto, che si muove ancora quasi alla velocità della luce.

Illustrazione dell'artista di due stelle di neutroni che si fondono. La griglia increspata dello spaziotempo rappresenta le onde gravitazionali emesse dalla collisione, mentre i raggi stretti sono i getti dei raggi gamma che fuoriescono pochi secondi dopo le onde gravitazionali (rilevati come un raggio gamma scoppiato dagli astronomi). Il jet visto dagli astronomi deve essere distinto da questo. (NSF / LIGO / SONOMA STATE UNIVERSITY / A. SIMONNET)

Non è una sorpresa che un evento come questo produca qualcosa di così energico. Le stesse stelle di neutroni sono alcuni degli oggetti più estremi che puoi immaginare. Immagina di prendere un oggetto massiccio come il Sole o anche di più, e comprimerlo in una palla delle dimensioni di una grande città come Chicago. Sarebbe come un enorme nucleo atomico, in cui il 90% interno di esso è semplicemente una sfera di neutroni solidi, da cui il nome: stella di neutroni.

Di per sé, le stelle di neutroni possono ruotare così velocemente - fino a circa i due terzi della velocità della luce - da creare i più grandi campi magnetici conosciuti nell'Universo: centinaia di milioni di volte più forti di qualsiasi magnete sulla Terra e un quadrilione volte più forte del campo magnetico terrestre. Per quanto ne sappiamo, se si dovesse rendere una stella di neutroni più densa, collasserebbe in un buco nero.

Una stella di neutroni, nonostante sia principalmente costituita da particelle neutre, produce i campi magnetici più forti nell'Universo, un quadrilione di volte più forte dei campi sulla superficie della Terra. Quando le stelle di neutroni si fondono, dovrebbero produrre sia onde gravitazionali che firme elettromagnetiche, e quando attraversano una soglia di circa 2,5 o 3 masse solari (a seconda della rotazione), possono diventare buchi neri in meno di un secondo. (NASA / CASEY REED - PENN STATE UNIVERSITY)

Ciò che abbiamo osservato nel 2017 è stato persino più spettacolare di una stella di neutroni da sola: abbiamo osservato l'ispirazione e la fusione di due di questi oggetti. Prima che avvenisse la fusione, sappiamo che due stelle di neutroni, ognuna un po 'più massiccia del nostro Sole, erano bloccate in un'orbita binaria. Mentre si muovevano attorno al loro reciproco centro di massa, emettevano onde gravitazionali, irradiando energia via via che le loro orbite diventavano più strette e più veloci.

L'ispirazione e la fusione di due stelle di neutroni, come illustrato qui, ha prodotto un segnale d'onda gravitazionale molto specifico. Inoltre, il momento e le conseguenze della fusione hanno prodotto anche radiazioni elettromagnetiche uniche e identificabili come appartenenti a tale cataclisma. (NASA / CXC / GSFC / T.STROHMAYER)

Negli ultimi istanti, questa radiazione è aumentata sia in ampiezza che in frequenza, e poi hanno raggiunto il momento più cruciale di tutti: le loro superfici si sono toccate. In una frazione di secondo, le loro densità sono aumentate oltre una soglia critica e ha avuto luogo una reazione nucleare in fuga dove si sono messi in contatto tra loro. Improvvisamente, si è verificato un evento noto come kilonova.

Meno di due secondi dopo che le onde gravitazionali hanno raggiunto il loro massimo, è stato osservato un picco nello spettro elettromagnetico: dall'osservatorio di raggi gamma Fermi della NASA. Questo evento, noto come esplosione di raggi gamma, è stato il primo ad essere mai correlato a una fusione di stelle di neutroni stella-neutrone.

La galassia NGC 4993, situata a 130 milioni di anni luce di distanza, era stata fotografata molte volte in precedenza. Ma subito dopo il rilevamento delle onde gravitazionali del 17 agosto 2017, è stata vista una nuova fonte di luce transitoria: la controparte ottica di una fusione di stelle stella-neutrone neutrone. (P.K. BLANCHARD / E. BERGER / PAN-STARRS / DECAM)

L'esplosione potrebbe essere stata di breve durata, sia nelle onde gravitazionali che nei raggi gamma, ma i segnali che abbiamo ricevuto sono stati straordinariamente istruttivi. Quasi immediatamente, abbiamo imparato:

  • quali fossero le masse (circa 1,3 soli) e le distanze (circa 130 milioni di anni luce) delle stelle di neutroni,
  • quello che sono diventati dopo la fusione (una stella di neutroni a rotazione rapida che è crollata in un buco nero in meno di un secondo),
  • quanta parte della massa è diventata un buco nero (circa il 95%),
  • e quello che è successo al resto della massa (sono diventati gli elementi più pesanti nella tavola periodica, tra cui oro, platino, uranio e plutonio).
Quando due stelle di neutroni si fondono, come simulato qui, dovrebbero creare getti di scoppio di raggi gamma, così come altri fenomeni elettromagnetici che, se abbastanza vicini alla Terra, potrebbero essere visibili con alcuni dei nostri più grandi osservatori. (NASA / ALBERT EINSTEIN INSTITUTE / ZUSE INSTITUTE BERLIN / M. KOPPITZ E L. REZZOLLA)

Ma non abbiamo ancora finito. C'era ancora il bagliore posteriore, che divenne visibile ai telescopi di tutte le diverse lunghezze d'onda in tutto il mondo. I telescopi a raggi X, ultravioletti, ottici, a infrarossi e radio hanno visto questo evento unico nel suo genere, monitorandolo continuamente per settimane e settimane. Il bagliore successivo, mentre andavamo a lunghezze d'onda sempre più lunghe, si illuminò col passare del tempo, quindi svanì nella maggior parte delle frequenze dove potevamo guardare.

Siamo stati in grado di quantificare la produzione dei diversi elementi. Ad esempio, sono stati creati circa 10⁴⁶ atomi di oro, ovvero dieci quadrilioni di volte più di quanto abbiamo estratto in tutta la storia umana. Abbiamo appreso che le due stelle di neutroni hanno avuto origine circa 11 miliardi di anni fa e da allora sono state fonte di ispirazione, fino al momento in cui si sono fuse. Abbiamo imparato che la maggior parte degli elementi più pesanti dell'Universo sono realizzati in collisioni di stelle di neutroni come questa.

Due stelle di neutroni che si fondono, come illustrato qui, fanno spirale ed emettono onde gravitazionali, ma creano un segnale di ampiezza molto inferiore rispetto ai buchi neri. Quindi, possono essere visti solo se sono molto vicini e solo per tempi di integrazione molto lunghi. L'ejecta, espulso dagli strati esterni della fusione, è rimasto per molti mesi una ricca fonte di segnale elettromagnetico. (DANA BERRY / SKYWORKS DIGITAL, INC.)

Ma non avevamo ancora finito. Anche se i segnali stavano svanendo in tutto lo spettro elettromagnetico, c'era ancora molta scienza da fare. La maggior parte della luce proveniva da decadimenti radioattivi del materiale che è stato iniettato nel mezzo interstellare che circonda il punto di collisione e - come ci si aspetterebbe da qualsiasi cosa con emivita - la maggior parte dei decadimenti si è verificata all'inizio e abbandonato rapidamente.

Ma poi, settimane dopo la collisione, si è verificata una ricomparsa di raggi X e onde radio e questo nuovo segnale potenziato è durato per mesi. Inizialmente fu teorizzato che c'era materiale espulso dalla collisione, e si stava fracassando nel gas che esisteva già nel mezzo interstellare. Quell'interazione ha fornito un'iniezione di energia, la linea di pensiero è andata avanti, ed era responsabile del riemergere di un bagliore che in precedenza stava scomparendo.

Durante un'ispirazione e una fusione di due stelle di neutroni, dovrebbe essere rilasciata un'enorme quantità di energia, insieme a elementi pesanti, onde gravitazionali e un segnale elettromagnetico, come illustrato qui. Ma quella che fu una grande sorpresa fu un secondo, più tardi scoppio di due getti relativistici emersi dalle conseguenze della fusione. (NASA / JPL)

Nei migliori casi di scienza, tuttavia, non forniamo semplicemente una spiegazione probabile e consideriamo il caso chiuso. Cerchiamo informazioni di follow-up per testare le nostre idee e determinare se trattengono l'acqua o meno. Per quanto potenti e avanzati come possano essere le nostre migliori teorie, dobbiamo assolutamente confrontarli con dati sperimentali o osservativi, o non stiamo veramente facendo scienza.

La parte più impressionante della nuova ricerca appena pubblicata è che contiene una fantastica suite di dati. Utilizzando una serie di 32 radiotelescopi individuali, distribuiti su 5 continenti e osservando simultaneamente gli stessi oggetti, gli scienziati sono stati in grado di osservare il bagliore radio come mai prima d'ora. Implementando la tecnica dell'interferometria a lunghissima base (VLBI) con una sorgente luminosa come questa, hanno raggiunto una risoluzione senza precedenti.

Una serie di 32 radiotelescopi in cinque continenti separati sono stati usati per rappresentare direttamente le conseguenze delle stelle di neutroni che si fondono in NGC 4993, consentendo agli astronomi di risolvere i getti strutturati che emergono dal punto di interazione, anche se erano meno di un anno luce . (PAUL BOVEN)

La risoluzione è ciò di cui hai bisogno se vuoi determinare la forma o la configurazione di una fonte distante nell'Universo. In genere, si ottiene una migliore risoluzione costruendo un telescopio più grande, poiché il numero di lunghezze d'onda della luce che si adattano su di esso determina la dimensione angolare di ciò che è possibile risolvere.

Ma usando la tecnica VLBI, puoi fare ancora meglio se la tua fonte è abbastanza luminosa. Certo, otterrai solo il potere di raccolta della luce delle dimensioni dei tuoi singoli piatti, ma puoi ottenere la risoluzione della distanza tra i vari telescopi. Questa è la tecnica che Event Horizon Telescope sta usando per costruire la loro prima immagine dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, e questa è la tecnica che ha permesso agli astronomi di determinare la forma di ciò che è risultato dopo questa fusione stella-neutrone stella di neutroni.

L'impressione dell'artista di un getto che fuoriesce dal materiale espulso dalla fusione delle stelle di neutroni. Il getto è prodotto dal buco nero, circondato da un disco caldo, che si è formato dopo la fusione. (O.S. SALAFIA, G. GHIRLANDA, NASA / CXC / GSFC / B. WILLIAMS ET AL.)

Guidati da Giancarlo Ghirlanda, sono stati combinati 207 giorni di dati straordinari, che hanno permesso agli astronomi di vedere cosa è stato creato nel tempo.

Il risultato fu spettacolare: la fusione produsse un getto strutturato di materiale, che si allontanò rapidamente dal punto di collisione in due linee anti-parallele. Mentre molti scienziati si aspettavano che ci sarebbe stata una sorta di forma a bozzolo, o qualcosa che limitasse qualsiasi getto prodotto, i dati indicavano diversamente. Invece, questo getto strutturato ha perforato tutto il materiale espulso nella fusione e ha continuato a fuggire rapidamente nello spazio interstellare quasi alla velocità della luce. Era come se niente potesse rallentarlo.

Il secondo buco nero più grande visto dalla Terra, quello al centro della galassia M87, è circa 1000 volte più grande del buco nero della Via Lattea, ma è oltre 2000 volte più lontano. Il getto relativistico che emana dal suo nucleo centrale è uno dei più grandi, più collimati mai osservati. (ESA / HUBBLE E NASA)

Come puoi creare un jet come questo? Li abbiamo mai visti solo da un'altra fonte: dai buchi neri che si nutrono di materia. Questo deve essere l'indizio che risolve il puzzle! Non è che la fusione stessa ha creato un getto, ma che la fusione completata ha prodotto un buco nero e questo buco nero rotante ha accelerato la questione intorno a esso, producendo i getti che abbiamo visto in seguito. Spiega perché c'è stato un oscuramento seguito da un secondo giro di schiarimento, e spiega la struttura collimata e le energie e le velocità fantasticamente grandi. Senza un buco nero centrale, non esiste un modo noto per farlo.

Questa è forse la prova tanto attesa che queste stelle di neutroni che si fondono, osservate nel 2017, debbano aver prodotto un buco nero. In base alla nostra attuale comprensione dell'Universo, non potremmo essere più certi.

Negli ultimi momenti della fusione, due stelle di neutroni non si limitano a emettere onde gravitazionali, ma un'esplosione catastrofica che risuona attraverso lo spettro elettromagnetico. Allo stesso tempo, genera una serie di elementi pesanti verso l'estremità molto alta della tavola periodica. All'indomani di questa fusione, devono essersi sistemati per formare un buco nero, che in seguito ha prodotto getti collimati e relativistici che hanno sfondato la materia circostante. (UNIVERSITÀ DI WARWICK / MARK GARLICK)

Nella scienza, a volte i risultati migliori sono quelli che non ti aspettavi. Potremmo aver previsto che la fusione di stelle di neutroni avrebbe creato gli elementi più pesanti di tutti, ma nessuno vide un getto strutturato emergere da un buco nero in seguito come qualcosa che dovrebbe accadere. Eppure eccoci qui, a raccogliere i doni dell'Universo. Ci ricorda il cosmo per noi: il giorno in cui fermiamo le nostre ricerche scientifiche, smettiamo di scoprire i misteri che sono alla base della nostra esistenza.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.