Due anni fa, gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno rilevato per la prima volta onde gravitazionali, provando la teoria della relatività di Einstein e la sua previsione della loro esistenza. Le onde sono state innescate dalla collisione di due buchi neri.

Il 17 agosto 2017, LIGO e il rivelatore franco-italiano Virgo hanno osservato una classe completamente nuova di segnale di onde gravitazionali:una fusione binaria di stelle di neutroni. Questa fusione e il suo bagliore sono stati studiati da telescopi che coprono l'intero spettro elettromagnetico dai raggi gamma alle onde radio.

Di fondamentale interesse sia per i fisici che per gli astronomi, Le osservazioni delle onde gravitazionali hanno inaugurato una nuova era della scienza. Infatti, così tanti articoli scientifici sulla fusione di stelle di neutroni sono stati pubblicati in un giorno che i ricercatori hanno creato un indice online per tenerne traccia.

Ora, meno di due mesi dopo il primo rilevamento di stelle di neutroni in collisione, Il Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) della UC Santa Barbara ha organizzato un programma di risposta rapida per scienziati di tutto il mondo, direttamente sostenuto dalla Fondazione Kavli. Più di 75 fisici e astronomi hanno discusso dell'astrofisica della fusione delle stelle di neutroni e hanno ascoltato dozzine di presentazioni che hanno approfondito i dettagli di questo evento rivoluzionario più recente.

"L'intento di 'GW170817:The First Double Neutron Star Merger' è quello di ampliare la consapevolezza dei risultati prodotti dalla vasta collaborazione che ha portato a queste entusiasmanti scoperte, " ha detto il direttore del KITP Lars Bildsten. "Il KITP fornisce un luogo per gli scienziati interessati non solo a raccogliere la grande quantità di dati generati dall'ultimo evento, ma anche a spingere le interpretazioni di quei dati".

Il segnale dell'onda gravitazionale di agosto ha prodotto la prima misurazione della distanza di una galassia vicina dalla fusione di due stelle di neutroni e ha esplorato l'equazione di stato della materia a densità supernucleari. Altre aree di studio sono emerse anche dalla profusione di dati di onde gravitazionali ed elettromagnetici, inclusa la formazione di elementi pesanti, nonché il lampo di raggi gamma e altri segnali elettromagnetici che seguirono la fusione delle stelle di neutroni.

L'origine cosmica di elementi più pesanti del ferro è stata oggetto di molti dibattiti. Sebbene i modelli teorici mostrino che la materia espulsa in una fusione di stelle di neutroni può trasformarsi in oro e platino in un processo noto come nucleosintesi a cattura rapida di neutroni (processo r), questo ultimo evento fornisce una solida osservazione diretta.

"Per anni, le persone hanno cercato di studiare come si sono formati gli elementi più pesanti osservando i resti fossili di quegli elementi nel sole o nei meteoriti, " ha spiegato l'astrofisico dell'UC Berkeley Daniel Kasen, un coordinatore del programma KITP. "Finalmente, con questo evento abbiamo avuto il campione puro di elementi pesanti espulso dalla fusione di stelle di neutroni e siamo stati in grado di sondarlo direttamente, osservativamente, guardando la luce del bagliore radioattivo di quegli elementi pesanti."

Per un certo numero di anni, fisici e astronomi - molti dei quali hanno partecipato a un programma KITP più lungo su un argomento simile nel 2012 - hanno modellato l'aspetto che avrebbe una doppia fusione di stelle di neutroni. Si scopre che molti modelli di questi fenomeni estremamente complicati erano incredibilmente accurati.

"Le onde gravitazionali ci hanno detto che si trattava di stelle di neutroni e le osservazioni elettromagnetiche ci hanno parlato dello spettro del decadimento radioattivo che produce elementi del processo r, " disse Duncan Brown, il Charles Brightman Endowed Professor of Physics alla Syracuse University e coordinatore principale del programma di risposta rapida KITP. "Metti insieme quei due e completano la nostra conoscenza dell'origine della tavola periodica."

Un altro tema caldo del programma è stata la controparte elettromagnetica della fusione di stelle di neutroni. Il lampo di raggi gamma ha fatto correre le onde gravitazionali a 130 milioni di anni luce attraverso l'universo per essere osservato sulla Terra a soli due secondi di distanza. Ciò ha dimostrato che le fusioni di stelle di neutroni sono l'origine a lungo cercata dei lampi di raggi gamma. Ha anche mostrato che per una precisione estremamente elevata la velocità della gravità e la velocità della luce sono le stesse, quale, secondo Brown, esclude una vasta classe di teorie modificate della gravità.

"Ciò che mi ha sorpreso sono le discussioni sui possibili meccanismi di emissione di burst di raggi gamma, " disse Brown. "Nell'astronomia delle onde gravitazionali, la teoria è stata 50 anni avanti rispetto alle osservazioni, mentre il lato elettromagnetico è il contrario; le osservazioni sono 50 anni avanti rispetto alla teoria. Sarà interessante vedere come si evolverà".

Fisici e astronomi avranno un'altra possibilità di esplorare la scienza delle onde gravitazionali in un futuro programma KITP previsto per il 2019. "The New Era of Gravitational-Wave Physics and Astrophysics" riunirà un ampio gruppo di esperti per discutere l'astrofisica e la fisica fondamentale che può essere appreso dalle osservazioni disponibili in quel momento, che si spera sarà considerevole.

LIGO e Virgo stanno aggiornando la loro strumentazione con la speranza che quando torneranno online nell'autunno 2018 con maggiore sensibilità, i loro sforzi produrranno ulteriori osservazioni di segnali di onde gravitazionali, forse da altre fonti.

"Non saranno tutti uguali in massa o rotazione e forse vedremo un buco nero e una stella di neutroni scontrarsi l'uno con l'altro, " ha detto Brown. "Questo è davvero solo l'inizio di uno sforzo globale per utilizzare queste collisioni per studiare la fisica fondamentale, astrofisica ed evoluzione stellare".