Il 17 agosto il Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha rilevato la quinta impronta digitale di un massiccio disturbo nello spaziotempo da quando LIGO ha iniziato le operazioni nel settembre 2015. A differenza delle prime quattro serie di increspature, che rifletteva le collisioni tra due buchi neri, la forma di queste distorsioni spazio-temporali suggeriva una collisione tra due stelle di neutroni.

Mentre le collisioni di buchi neri non producono quasi nessuna firma diversa dalle onde gravitazionali, la collisione di stelle di neutroni può essere - ed è stata - osservata su e giù per lo spettro elettromagnetico. "Quando le stelle di neutroni si scontrano, si scatena l'inferno, " disse Frans Pretorius, un professore di fisica di Princeton. "Iniziano a produrre un'enorme quantità di luce visibile, e anche raggi gamma, raggi X, onde radio…."

I ricercatori di Princeton studiano da decenni le stelle di neutroni e le loro firme astronomiche.

Stelle di neutroni e raggi gamma:Bohdan Paczynski e Jeremy Goodman

Le onde gravitazionali sono state la prima prova della fusione di stelle di neutroni ad arrivare sulla Terra, seguito da un lampo gamma che è arrivato 1,7 secondi dopo.

La connessione tra stelle di neutroni e lampi di raggi gamma è stata identificata per la prima volta dagli astrofisici di Princeton nel 1986, disse James Stone, il Lyman Spitzer Jr., Professore di Astrofisica Teorica e presidente del Dipartimento di Scienze Astrofisiche. "Molte delle scoperte annunciate [16 ottobre] confermano le previsioni di base fatte 30 anni fa qui a Princeton".

Si riferiva a una serie di documenti back-to-back di Bohdan Paczynski, il compianto Lyman Spitzer Jr. Professore di Astrofisica Teorica, e Jeremy Goodman, un dottorato di ricerca del 1983 laureato che ha studiato sotto Paczynski ed è ora professore nel dipartimento. Nei loro articoli, Paczynski e Goodman hanno sostenuto che le stelle di neutroni in collisione potrebbero essere le fonti di lampi di raggi gamma, un misterioso, fonte di energia di breve durata identificata per la prima volta dai satelliti alla fine degli anni '60.

"Entrambi abbiamo fatto riferimento a questa possibilità. Chi ha lanciato per primo quell'idea? Non lo so, perché eravamo in continua conversazione, Goodman ha detto. "Sapevamo che [le stelle di neutroni] devono occasionalmente collidere, lo sapevamo a causa del lavoro di Joe Taylor [fisico di Princeton e premio Nobel]".

Inoltre, Paczynski si era reso conto che la maggior parte dei lampi di raggi gamma provenivano da distanze abbastanza lontane che l'espansione dell'universo stava influenzando la loro distribuzione apparente.

"Bohdan Paczynski aveva assolutamente ragione, " ha detto Goodman. Tuttavia, le sue idee non furono immediatamente accolte dal campo. "Ricordo di essere andato a una conferenza a Taos, Nuovo Messico. … Bohdan ha tenuto un breve discorso sulla sua idea che i lampi di raggi gamma provengano da distanze cosmologiche. Ricordo questi altri astrofisici... erano rispettosamente silenziosi quando parlava, ma lo consideravo un po' un pazzo."

Ha aggiunto, "Bohdan Paczynski era un pensatore molto audace."

Le stelle di neutroni si scontrano:Joseph Taylor, Russell Hulse e Joel Weisberg

La possibilità di una collisione di stelle di neutroni che aveva stimolato la discussione di Paczynski e Goodman emerse per la prima volta in un articolo del 1981 di Joseph Taylor, ora il James S. McDonnell Distinguished University Professor of Physics, Emerito. La sua scoperta nel 1974 delle stelle di neutroni binarie con il suo studente allora laureato Russell Hulse, che in seguito ha lavorato presso il Princeton Plasma Physics Laboratory, è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 1993. Hanno mostrato che le due stelle di neutroni che avevano individuato erano separate da circa mezzo milione di miglia e orbitano l'una intorno all'altra ogni 7,75 ore.

Nel 1981, poco dopo essere arrivato a Princeton, Taylor e l'allora assistente professore Joel Weisberg hanno annunciato che con misurazioni precise effettuate nel corso di diversi anni, avevano confermato che la distanza e il periodo cambiano con il tempo, con un decadimento orbitale che corrisponde alla previsione di Albert Einstein per la perdita di energia dovuta all'emissione di onde gravitazionali. L'orbita sta rallentando in modo così infinitesimale che ci vorranno circa 300 milioni di anni prima che le stelle di neutroni nella binaria di Hulse-Taylor si scontrino e si uniscano.

"Una volta compresa la binaria delle stelle di neutroni di Hulse-Taylor, con successivi esperimenti di temporizzazione che mostrano coerenza con la relatività generale, era chiaro che le collisioni sarebbero avvenute, " ha detto Steven Gubser, un professore di fisica. "Quindi, mentre celebriamo il primo rilevamento di onde gravitazionali di stelle di neutroni in collisione, diamo anche credito a Joe Taylor e Russell Hulse per la loro scoperta originale delle pulsar binarie, e per la dimostrazione che in realtà sono stelle di neutroni orbitanti l'una intorno all'altra, aspettando solo di scontrarsi."

Come si fondono le stelle:Steven Gubser e Frans Pretorius

Immagina un quarto che gira su un tavolo. Poiché l'attrito sottrae energia dal sistema, il quarto inizia a oscillare intorno al suo bordo esterno, emettendo un suono "whop...whop...whop...whop" che accelera (whop-whop-whop-whop) e accelera (whopwhopwhopwhop) finché non è solo una sfocatura di suono che sale di tono in un "whoooop" finale come il quarto si appiattisce sul tavolo.

Questa è la dimostrazione che Gubser e Pretorius hanno fornito quando hanno descritto come si scontrano i buchi neri (o stelle di neutroni), una meraviglia astronomica che LIGO ha ora rilevato cinque volte. In un recente discorso per il loro libro, "Il piccolo libro dei buchi neri, " pubblicato dalla Princeton University Press, Gubser e Pretorius usarono un disco di circa tre pollici di diametro invece di un quarto, in modo che il loro pubblico potesse vedere e sentire più facilmente il lento ma costante aumento di velocità del disco.

"Di solito penseresti che perdere energia corrisponda a un rallentamento, non accelerando, ma hai visto con il disco che in effetti può andare dall'altra parte, " disse Gubser in seguito. "Poiché il disco perde energia per attrito, il suo punto di contatto si muove sempre più velocemente intorno, e produce quella caratteristica frequenza crescente."

Indipendentemente dal fatto che gli oggetti in collisione siano stelle di neutroni o buchi neri, o uno di ciascuno di essi, il movimento vorticoso e il suo suono seguono lo stesso schema. Mentre l'energia dell'onda gravitazionale svanisce, i due oggetti orbiteranno l'uno intorno all'altro sempre più velocemente, verso la loro inevitabile fine.

Nel caso della collisione rilevata da LIGO il 17 agosto, le due stelle, ciascuna delle dimensioni di Manhattan e con quasi il doppio della massa del sole, alla fine ruotavano l'una intorno all'altra centinaia di volte al secondo, muovendosi a una frazione significativa della velocità della luce prima che si scontrassero.

"L'esperimento temporale di Taylor e Weisberg ha mostrato l'inizio di questo schema, derivante da un lento in-spirare, " disse Gubser. "La frequenza aumenta molto lentamente, ed è per questo che è stata una misurazione così impressionante."

Al contrario, Egli ha detto, "nella fase finale della spirale, la frequenza aumenta rapidamente, e ottieni il tipo di forma d'onda "whoop" o "chirp" che ha visto LIGO."

Cosa creano le star:Adam Burrows e David Radice

Quando le stelle si scontrano a una frazione apprezzabile della velocità della luce, la collisione fonde insieme gli atomi e crea gli elementi che riempiono le righe inferiori della tavola periodica.

"Questi elementi:platino, oro, molti altri meno preziosi che si trovano in alto nella tavola periodica:hanno più neutroni che protoni nei loro nuclei, " Goodman ha detto. "Non puoi arrivare a quei nuclei nello stesso modo in cui comprendiamo gli elementi fino alla produzione del ferro, aggiungendo effettivamente un neutrone alla volta. Il problema è che devi aggiungere molti neutroni molto rapidamente." Questo processo rapido è noto ai fisici come processo r.

Per molto tempo, gli scienziati pensavano che gli elementi del processo r fossero stati creati nelle supernovae, ma i numeri non tornano, ha detto Goodman. "Ma le stelle di neutroni sono per lo più neutroni, e se ne rompi due insieme, è ragionevole aspettarsi che alcuni dei neutroni schizzino fuori".

"I prodotti di questa fusione potrebbero essere l'oro, uranio, europio - alcuni degli elementi più pesanti in natura, " ha detto Adam Burrows, professore di scienze astrofisiche e direttore del Programma in Pianeti e vita.

Burrows e David Radice, un ricercatore associato, ha recentemente vinto un finanziamento dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per studiare la fusione di stelle di neutroni e supernovae, che Burrows descrive collettivamente come "alcuni dei fenomeni più esplosivi, alcuni dei più violenti, che si verificano regolarmente nell'universo."

Le osservazioni spettroscopiche del Very Large Telescope (VLT) dell'Osservatorio europeo meridionale sulla scia del rilevamento LIGO hanno confermato che metalli pesanti come il platino, piombo e oro sono stati creati nella collisione delle due stelle di neutroni.

I dati VLT utilizzati per identificare questi elementi, le lunghezze d'onda visibili e quasi visibili della luce, sono stati raccolti nelle ore e nei giorni successivi al rilevamento delle onde gravitazionali da parte di LIGO. Quando iniziò a diffondersi la voce della scoperta di LIGO, la comunità astronomica mondiale ha addestrato i suoi telescopi e altri strumenti sulla porzione di cielo da cui provenivano le onde gravitazionali, in quella che l'ex ricercatore postdottorato di Princeton Brian Metzger ha definito la "campagna elettromagnetica più ambiziosa ed emotivamente carica della storia, probabilmente, per qualsiasi [evento di breve durata] transitorio."

Metzger, un assistente professore di fisica alla Columbia University, era uno dei quasi 4, 000 coautori sul documento che descrive le osservazioni di follow-up dei raggi X, raggi gamma, onde luminose visibili, onde radio e altro ancora. "Questa è stata una scoperta pancromatica davvero sorprendente delle onde gravitazionali, praticamente a ogni singola lunghezza d'onda, " Egli ha detto.

L'impatto sulla comunità astronomica è paragonabile a un solo altro evento nella sua vita, disse Goodman:la supernova del 1987. Le osservazioni di quell'esplosione stellare avevano fornito una soluzione concreta a innumerevoli domande e teorie astronomiche. "La gente stava costruendo questo modello per le supernovae, [a] imponente edificio teorico, e le basi osservative erano un po' traballanti, " ha detto Goodman. "Nessuno potrebbe pensare a un modello migliore per queste cose, ma poi vederlo... non so come descriverlo, è come ricevere un telegramma da Dio, dicendo esattamente quali sono stati questi eventi".

Le risme di dati raccolti dai "fuochi d'artificio elettromagnetici" prodotti dalla fusione di stelle di neutroni hanno avuto un effetto simile, ha detto Goodman. "Avevamo ogni sorta di speculazione... ma ora abbiamo queste onde gravitazionali. È esattamente come ci aspettavamo per due masse compatte!"

"Questo è il futuro del rilevamento delle onde gravitazionali, che è una nuova astronomia che è stata aperta, " ha detto Burrows. "È una nuova finestra sull'universo che è stata anticipata per decenni, ed è una straordinaria realizzazione delle ambizioni di migliaia di scienziati, tecnologi, che in realtà ha realizzato ciò che molte persone pensavano di non poter fare."