Nuovi e rari pezzi da collezione per le onde gravitazionali

Condividi su      
 E. Coccia    15-07-2021     Leggi in PDF
Credit ITAR-TASS News Agency / Alamy Foto Stock

Mettiamo che siate dei collezionisti molto particolari. Non vi appassionano le farfalle, i francobolli o i soldatini. Mettiamo che collezioniate fusioni di coppie di buchi neri o stelle di neutroni.

Grazie alla recentissima possibilità di studiare le onde gravitazionali, abbiamo già una collezione notevole: sono state rivelate onde prodotte dallo spiraleggiamento e dalla fusione di circa una cinquantina di sistemi binari composti da questi oggetti compatti, i frutti più estremi dell’evoluzione delle stelle nell'Universo.

Fino a ora però, le onde gravitazionali erano state osservate soprattutto dalla fusione di coppie in cui entrambi i membri erano buchi neri (BHBH) e, raramente, di coppie di stelle di neutroni (NSNS).

Mancava alla collezione l'esemplare più raro: la fusione di una coppia mista, composta cioè da un buco nero e una stella di neutroni (NSBH).

Straordinariamente, a distanza di soli 10 giorni, il 5 e il 15 gennaio 2020, il rivelatore Advanced LIGO negli USA e il rivelatore Advanced Virgo in Italia, hanno osservato onde gravitazionali da due sistemi di questo tipo. Ora grazie alle onde gravitazionali abbiamo finalmente l'evidenza che tutti e tre i tipi di binarie possono essere formati.

Le fusioni NSBH possono, in linea di principio, produrre luce e in generale segnali su tutto lo spettro elettromagnetico. Questo le rende più simili alle fusioni NSNS che alle fusioni di soli buchi neri che si inghiottono l'un l'altro nel buio più assoluto. Purtroppo, la posizione nel cielo di questi due nuovi eventi è stata individuata solo in modo approssimativo, in un'area di cielo compresa tra 2400 e 29000 volte la dimensione della Luna piena. Insieme alla grande distanza dalla sorgente, ciò ha reso ardua l'osservazione di una controparte elettromagnetica da parte degli osservatori astronomici e di fatto non ne è stata osservata alcuna. Naturalmente speriamo che le future fusioni NSBH siano individuate con maggiore precisione e producano luce osservabile, per avere informazioni su come il buco nero distrugge, lacerandola, la stella di neutroni, informazioni probabilmente uniche sulla forma estrema della materia che costituisce le stelle di neutroni.

La forma di un'onda gravitazionale è ricca di informazioni sulle caratteristiche della sorgente, informazioni quali le masse del buco nero e della stella di neutroni, gli spin, la distanza. Il buco nero e la stella di neutroni che hanno creato il primo segnale ricevuto, chiamato dalla data di arrivo GW200105, sono rispettivamente circa 8,9 volte e 1,9 volte più massicci del nostro Sole (con massa quindi in M☉) e la loro fusione è avvenuta circa 800 milioni di anni fa. Per il secondo evento, ricevuto 10 giorni più tardi e chiamato quindi GW200115, viene stimato che il buco nero e la stella di neutroni avessero masse rispettivamente di circa 5,7 M☉ e 1,5 M☉ e la loro fusione sia avvenuta quasi un miliardo di anni fa.

Come sappiamo di aver osservato una coppia NSBH? Per produrre le onde gravitazionali osservate, gli oggetti devono essere molto compatti e densi rispetto alle stelle tipiche, altrimenti si disgregherebbero prima di fondersi. La massa degli oggetti più pesanti in entrambe le binarie è di 8,9 M☉ e 5,7 M☉, e gli unici oggetti compatti conosciuti che possono avere una tale massa sono i buchi neri. Le masse degli oggetti più leggeri invece sono di circa 1,9 M☉ e 1,5 M☉, molto più leggere di qualsiasi buco nero conosciuto. Queste masse sono coerenti con le stelle di neutroni note, come quelle osservate nella Via Lattea, o osservate con le onde gravitazionali (es. GW170817, il primo evento NSNS di cui abbiamo già parlato su SIF Prima Pagina).

Ma come si forma un sistema NSBH? Ci sono due possibilità. La prima ipotizza che le due stelle, prima di collassare a oggetti compatti, già "si conoscessero" orbitando l'una attorno all'altra. Invecchiando sono esplose in supernovae, lasciando una un buco nero, l'altra una stella di neutroni, continuando a formare una coppia sempre più stretta.

L'altra possibilità è che le due stelle abbiano avuto "da giovani" trascorsi completamente diversi e si siano "trovate" in tarda età, quando erano già oggetti compatti. Questo può avvenire in ambienti molto densi di stelle come i globular clusters.

Per distinguere le due possibilità dobbiamo guardare l'orientazione degli spin dei buchi neri.

Nel primo caso, la direzione dello spin tende ad allinearsi con l'orbita della binaria, ci si aspetta cioè che la stella di neutroni orbiti sul piano equatoriale del buco nero. Nel secondo caso invece l'orbita della stella di neutroni può essere orientata a caso rispetto al piano equatoriale del buco nero.

Nel caso di GW200105 il valore, molto approssimativo, dello spin non ci consente di avanzare conclusioni. Invece per GW200115 ci si trova nella seconda tipologia, questo sistema può effettivamente essersi formato in un cluster globulare. La forma dell'onda indica che la direzione dello spin è infatti opposta alla direzione dell'orbita della stella di neutroni: se la stella di neutroni orbita in senso orario attorno al buco nero allora il buco nero ruota sul suo asse in senso antiorario.

Non è quindi solo una collezione questa, stiamo imparando cose straordinarie.


New and rare collector's items for gravitational waves

Imagine you are a very particular collector. You are not passionate about butterflies, stamps or toy soldiers. Imagine you collect mergers of pairs of black holes or neutron stars.

Thanks to the very recent possibility of studying gravitational waves, we already have a remarkable collection: waves produced by the spiraling and merging of about fifty binary systems composed of these compact objects, the most extreme products of the evolution of stars in the Universe.

Until now, however, gravitational waves had mainly been observed from the merger of pairs in which both members were black holes (BHBH) and, rarely, of pairs of neutron stars (NSNS).

The rarest specimen was missing from the collection: the fusion of a mixed couple, that is, made up of a black hole and a neutron star (NSBH).

Remarkably, after just 10 days from one to the other, on January 5 and 15, 2020, the Advanced LIGO detector in the USA and the Advanced Virgo detector in Italy, have observed gravitational waves from two such systems. Now thanks to gravitational waves we finally have evidence that all three types of binaries can be formed.

NSBH fusions can, in principle, produce light and signals in general over the entire electromagnetic spectrum. This makes them more similar to NSNS mergers than to mergers of just black holes swallowing each other in absolute darkness. Unfortunately, the position in the sky of these two new events has been identified only in an approximate way, in an area of ​​the sky between 2,400 and 29,000 times the size of the full Moon. Together with the great distance from the source, this made it difficult for astronomical observers to observe an electromagnetic counterpart and in fact none was observed. Of course, we hope that future NSBH mergers will be identified with greater precision and produce observable light, to get information on how the black hole destroys the neutron star by tearing it apart, probably an unique information on the extreme configuration of the matter that makes up neutron stars.

The shape of a gravitational wave bears a lot of information on the characteristics of the source, information such as the masses of the black hole and the neutron star, the spins, the distance. The black hole and the neutron star that created the first signal received, called from its arrival date GW200105, are respectively about 8.9 times and 1.9 times more massive than our Sun (with mass therefore in M☉) and their fusion happened about 800 million years ago. For the second event, received 10 days later and then called GW200115, it is estimated that the black hole and the neutron star had masses of approximately 5.7 M☉ and 1.5 M☉ respectively and their merger took place almost a billion years ago.

How do we know we have observed a NSBH pair? To produce the observed gravitational waves, objects must be very compact and dense compared to typical stars, otherwise they would disintegrate before merging. The masses of the heaviest objects in both binaries are 8.9 M☉ and 5.7 M☉, and the only known compact objects that can have such masses are black holes. The masses of the lightest objects, on the other hand, are about 1.9 M☉ and 1.5 M☉, hence much lighter than any known black hole. These masses are consistent with known neutron stars, such as those observed in the Milky Way, or observed with gravitational wave (e.g. GW170817, the first NSNS event we have already talked about on SIF Prima Pagina).

But how is an NSBH system formed? There are two possibilities. The first is based on the hypothesis that the two stars, before collapsing to compact objects, already "knew" each other by orbiting around one another. As they got older, they exploded into supernovae, leaving one a black hole, the other a neutron star, and continuing to form an ever closer pair.

The other possibility is that the two stars had completely different stories "when they were young" and "found" each other in old age, when they were already compact objects. This can happen in very dense environments with stars such as globular clusters.

To distinguish the two possibilities, we must look at the orientation of the spins of black holes. In the first case, the direction of the spin tends to align with the orbit of the binary, that is, the neutron star is expected to orbit on the equatorial plane of the black hole. In the second case, however, the orbit of the neutron star can be randomly oriented with respect to the equatorial plane of the black hole.

In the case of GW200105 the very approximate value of the spin does not allow us to make any conclusions. Instead GW200115 falls in the second category, and the binary system may actually have formed in a globular cluster. The shape of the wave indicates that the direction of the spin is in fact opposite to the direction of the orbit of the neutron star: if the neutron star orbits clockwise around the black hole, then the black hole rotates on its axis counterclockwise.

Hence it is not just a collection, we are learning here extraordinary things.


Eugenio Coccia – È professore ordinario di fisica e Rettore del Gran Sasso Science Institute de L'Aquila. È associato di ricerca all'INFN ed è Vice Presidente della SIF.
Eugenio Coccia is full professor of physics and Rector of the Gran Sasso Science Institute of L'Aquila. He is research associate at INFN and Vice President of the SIF.