Immagina di conoscere solo 15 persone nel mondo, e mentre scopri più persone, la tua conoscenza si espande. Gli scienziati che studiano la nostra galassia affrontano qualcosa di simile mentre fanno scoperte che costruiscono la nostra comprensione dell'universo.

Maura McLaughlin e Duncan Lorimer, professori di fisica e astronomia alla West Virginia University, hanno scoperto una nuova coppia di pulsar e hanno seguito le caratteristiche di un altro nuovo duo. La loro ricerca porterà approfondimenti sulla comprensione di quanti di questi sistemi esistono e della velocità con cui si fondono nella nostra galassia.

Tuttologo

Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione, i resti di stelle massicce esplose come supernovae.

Quando due pulsar orbitano l'una intorno all'altra, le loro traiettorie possono essere altamente ellittiche, proprio come l'orbita di Mercurio intorno al sole, ma l'attrazione gravitazionale tra i due oggetti massicci li avvicina gradualmente fino a quando non si fondono. La collisione è così immensa che invia increspature nello spazio e nel tempo.

"Queste pulsar si muovono molto rapidamente l'una intorno all'altra, " disse Lorimer. "Così rapidamente, infatti, che stanno iniziando a mettere alla prova la nostra comprensione della gravità."

Censimento cosmico

Ci sono 2, 500 pulsar di tutti i tipi nella Via Lattea, ma tra loro, i sistemi binari si trovano raramente. Gli scienziati hanno scoperto solo 15, ma credono che potrebbero essere fino a 100, 000.

McLaughlin e collaboratori di università negli Stati Uniti e all'estero hanno scoperto un nuovo sistema binario in un'indagine a lungo termine utilizzando l'Osservatorio di Arecibo a Porto Rico.

"La scoperta di stelle di neutroni doppi orbitanti tra loro è importante, " ha detto McLaughlin. "Ma la nostra scoperta è anche estrema nel senso che ha un breve periodo orbitale, rendendolo potenzialmente eccitante per i test di gravità."

L'orbita binaria per questa scoperta è di 1,88 ore. Questa è l'orbita più corta di qualsiasi sistema binario di doppia stella di neutroni.

Osservando i sistemi binari, gli scienziati acquisiscono la comprensione degli estremi, come densità e forze magnetiche, che non si verificano sulla Terra. Questa nuova scoperta fornisce una nuova comprensione della Teoria della Relatività di Einstein e della comprensione della gravità in generale.

Fusione massiccia

In alcuni casi, le stelle di neutroni nei sistemi binari sono così distanti che non si fondono e non cambieranno significativamente nella separazione nel tempo. Ma in sei dei sistemi, le pulsar si muovono così velocemente e la loro attrazione gravitazionale è così forte che alla fine si fonderanno.

"Si stanno avvicinando molto gradualmente, pochi millimetri al giorno tra ciascuno di loro." Ha detto Lorimer. "Ciò significa che tra 100 milioni di anni - che non è molto tempo dal punto di vista di un astronomo - si scontreranno".

Così, qual è il risultato della fusione di due stelle di neutroni?

La fusione di questi due massicci, oggetti densi è tanto spettacolare quanto violento. Man mano che la loro orbita diventa più stretta, finiscono per sbranarsi a vicenda, perdendo energia che viene emessa sotto forma di onde gravitazionali.

L'autunno scorso, l'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro laser, noto come LIGO, onde gravitazionali rilevate direttamente da una collisione di due stelle di neutroni situate oltre la Via Lattea.

Sean McWilliams, professore assistente di fisica e astronomia, e Zaccaria Etienne, professore assistente di matematica, e diversi studenti laureati WVU fanno parte del team di ricerca LIGO.

Osservando la collisione delle stelle di neutroni, gli scienziati possono capire come la materia estrema, gravità estrema ed energia elettromagnetica interagiscono tra loro.

"I sistemi binari che gli scienziati stanno scoprendo nella Via Lattea sono prototipi di queste violente fusioni che strumenti come LIGO stanno rilevando oltre la nostra galassia, " Ha detto Lorimer. "C'è molto che possiamo imparare da questo."

Un diverso tipo di telescopio

Le pulsar sono estremamente dense, e mentre girano, emettono fasci di onde radio che attraversano lo spazio, proprio come i segnali di un faro.

Gli scienziati usano i radiotelescopi, che sono strumenti scientifici estremamente sensibili per rilevare quella radiazione elettromagnetica dalle profondità dello spazio.

Nei dati iniziali, c'è poca differenza tra pulsar regolari e sistemi binari. Ma ci sono suggerimenti nelle misurazioni del periodo di rotazione.

"In un sistema binario, di solito non vedi entrambe le pulsar, perché di solito solo uno è puntato verso il telescopio, " Ha detto Lorimer. "Ma si vede un periodo di spin che è tipicamente molto più piccolo di una pulsar media e che varia rapidamente a causa degli spostamenti Doppler e delle stelle di neutroni orbitano l'una intorno all'altra".

Nel sondaggio di Arecibo, il telescopio utilizzava sette telecamere per osservare sistematicamente diversi tratti di cielo in determinati momenti, permettendo allo strumento di coprire più cielo del normale. In quasi 15 anni, l'indagine ha rilevato 170 pulsar.

McLaughlin, Lorimer, e lo studente laureato WVU Nihan Pol hanno seguito un altro nuovo sistema binario realizzato dai ricercatori del Max Planck Institute for Radio Astronomy in Germania che ha utilizzato i dati del sondaggio del Parkes Telescope in Australia.

Gli scienziati conducono ricerche di follow-up con ogni pulsar, ma quando i ricercatori del Max Planck Institute si sono subito resi conto di aver scoperto un nuovo sistema binario, volevano condurre misurazioni più approfondite.

McLaughlin e Lorimer hanno utilizzato i dati del Green Bank Telescope per determinare i parametri approssimativi del sistema, come la sua velocità orbitale, tempi di arrivo e decadenza.

"Dobbiamo fare osservazioni sistematiche di follow-up e cercare di capire quanto possiamo misurare su questi oggetti. Alla fine vedremo cambiamenti o segnali che ci aiuteranno a mappare l'orbita, " Ha detto Lorimer. "È un processo a lungo termine. Ci vuole circa un anno per districare gli effetti dell'orbita terrestre".

Guardando avanti (e in alto)

Entrambi i sistemi ci stanno dando nuove informazioni sulla velocità con cui le stelle di neutroni doppi si fondono.

Il sistema scoperto con l'Osservatorio di Arecibo si trova in un'orbita molto circolare mentre il sistema scoperto con il Parkes Telescope si trova in un'orbita molto eccentrica, orbita ovale. Conoscendo le loro proprietà, e le proprietà di altri sistemi, sta fornendo migliori vincoli alla comprensione da parte degli scienziati del tasso di fusione nella Via Lattea.

McLaughlin, Nihan Pol, e Lorimer stanno usando queste informazioni per fare previsioni sul tasso previsto di rilevamento delle onde gravitazionali dalle fusioni di doppie stelle di neutroni nell'Universo Locale con LIGO.

Le loro stime mostrano che LIGO dovrebbe scoprire molte più fusioni di stelle di neutroni doppie nei prossimi anni. "Questo ci fornirà un'immagine complementare di questi eventi energetici sia nelle onde elettromagnetiche che gravitazionali e ci darà anche ulteriori informazioni su come funziona la gravità estrema", ha detto McLaughlin.