Rappresentazione artistica dell'esplosione e dello scoppio di onde gravitazionali emesse quando una coppia di stelle di neutroni superdense si scontrano. Nuove osservazioni con radiotelescopi mostrano che tali eventi possono essere utilizzati per misurare il tasso di espansione dell'Universo. Attestazione:NRAO/AUI/NSF
Gli astronomi che utilizzano i radiotelescopi della National Science Foundation (NSF) hanno dimostrato come una combinazione di onde gravitazionali e osservazioni radio, insieme a modelli teorici, può trasformare le fusioni di coppie di stelle di neutroni in un "righello cosmico" in grado di misurare l'espansione dell'Universo e risolvere una questione in sospeso sulla sua velocità.
Gli astronomi hanno utilizzato il Very Long Baseline Array (VLBA) della NSF, il Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) e il Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) per studiare le conseguenze della collisione di due stelle di neutroni che hanno prodotto onde gravitazionali rilevate nel 2017. Questo evento ha offerto un nuovo modo di misurare il tasso di espansione dell'Universo, conosciuta dagli scienziati come la costante di Hubble. Il tasso di espansione dell'Universo può essere utilizzato per determinarne le dimensioni e l'età, oltre a servire come strumento essenziale per interpretare le osservazioni di oggetti altrove nell'Universo.
Due metodi principali per determinare la costante di Hubble utilizzano le caratteristiche del fondo cosmico a microonde, la radiazione residua del Big Bang, o un tipo specifico di esplosioni di supernova, chiamato tipo Ia, nel lontano Universo. Però, questi due metodi danno risultati diversi.
"La fusione di stelle di neutroni ci offre un nuovo modo di misurare la costante di Hubble, e speriamo di risolvere il problema, " disse Kunal Mooley, dell'Osservatorio Nazionale di Radioastronomia (NRAO) e del Caltech.
La tecnica è simile a quella che utilizza le esplosioni di supernova. Si pensa che tutte le esplosioni di supernova di tipo Ia abbiano una luminosità intrinseca che può essere calcolata in base alla velocità con cui si illuminano e poi svaniscono. La misurazione della luminosità vista dalla Terra indica quindi la distanza dall'esplosione della supernova. La misurazione dello spostamento Doppler della luce dalla galassia ospite della supernova indica la velocità con cui la galassia si sta allontanando dalla Terra. La velocità divisa per la distanza produce la costante di Hubble. Per ottenere una cifra precisa, molte di queste misurazioni devono essere effettuate a distanze diverse.
Quando due stelle di neutroni massicce si scontrano, producono un'esplosione e uno scoppio di onde gravitazionali. La forma del segnale dell'onda gravitazionale dice agli scienziati quanto fosse "brillante" quell'esplosione di onde gravitazionali. Misurare la "luminosità, " o l'intensità delle onde gravitazionali ricevute sulla Terra può produrre la distanza.
Le osservazioni radio di un getto di materiale espulso all'indomani della fusione della stella di neutroni sono state fondamentali per consentire agli astronomi di determinare l'orientamento del piano orbitale delle stelle prima della loro fusione, e quindi la "luminosità" delle onde gravitazionali emesse in direzione della Terra. Ciò può rendere tali eventi un nuovo importante strumento per misurare il tasso di espansione dell'Universo. Crediti:Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
"Questo è un mezzo di misurazione completamente indipendente che speriamo possa chiarire qual è il vero valore della costante di Hubble, " ha detto Mooley.
Però, c'è una svolta. L'intensità delle onde gravitazionali varia con il loro orientamento rispetto al piano orbitale delle due stelle di neutroni. Le onde gravitazionali sono più forti nella direzione perpendicolare al piano orbitale, e più debole se il piano orbitale è di taglio visto dalla Terra.
"Per usare le onde gravitazionali per misurare la distanza, avevamo bisogno di conoscere quell'orientamento, " ha detto Adam Deller, della Swinburne University of Technology in Australia.
Per un periodo di mesi, gli astronomi usavano i radiotelescopi per misurare il movimento di un getto superveloce di materiale espulso dall'esplosione. "Abbiamo usato queste misurazioni insieme a simulazioni idrodinamiche dettagliate per determinare l'angolo di orientamento, permettendo così l'uso delle onde gravitazionali per determinare la distanza, ", ha affermato Ehud Nakar dell'Università di Tel Aviv.
Questa singola misura, di un evento a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, non è ancora sufficiente per risolvere l'incertezza, gli scienziati hanno detto, ma la tecnica ora può essere applicata a future fusioni di stelle di neutroni rilevate con onde gravitazionali.
"Pensiamo che altri 15 eventi del genere che possono essere osservati sia con le onde gravitazionali che in grande dettaglio con i radiotelescopi, potrebbe essere in grado di risolvere il problema, " disse Kenta Hotokezaka, dell'Università di Princeton. "Questo sarebbe un importante progresso nella nostra comprensione di uno degli aspetti più importanti dell'Universo, " Ha aggiunto.
Il team scientifico internazionale guidato da Hotokezaka sta riportando i suoi risultati sulla rivista Astronomia della natura .
