Nell'agosto del 2019, la rete di onde gravitazionali LIGO-Virgo ha visto la fusione di un buco nero con 23 volte la massa del nostro sole e un oggetto misterioso 2,6 volte la massa del sole. Gli scienziati non sanno se l'oggetto misterioso fosse una stella di neutroni o un buco nero, ma in entrambi i casi ha stabilito un record come la stella di neutroni più pesante conosciuta o il buco nero più leggero conosciuto. Credito:LIGO/Caltech/MIT/R. Ferita (IPAC)
Quando le stelle più massicce muoiono, collassano sotto la loro stessa gravità e lasciano buchi neri; quando le stelle un po' meno massicce muoiono, esplodono in una supernova e si lasciano dietro densi, resti morti di stelle chiamate stelle di neutroni. Per decenni, gli astronomi sono rimasti perplessi da un divario che si trova tra le stelle di neutroni e i buchi neri:la stella di neutroni più pesante conosciuta non è più di 2,5 volte la massa del nostro sole, o 2,5 masse solari, e il buco nero più leggero conosciuto è di circa cinque masse solari. La domanda rimaneva:c'è qualcosa in questo cosiddetto gap di massa?
Ora, in un nuovo studio del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation e del rivelatore Virgo in Europa, gli scienziati hanno annunciato la scoperta di un oggetto di 2,6 masse solari, posizionandolo saldamente nel gap di massa. L'oggetto è stato ritrovato il 14 agosto 2019, mentre si fondeva con un buco nero di 23 masse solari, generando una spruzzata di onde gravitazionali rilevate sulla Terra da LIGO e Virgo. Un documento sul rilevamento è stato accettato per la pubblicazione in Le Lettere del Giornale Astrofisico .
"Abbiamo aspettato decenni per risolvere questo mistero, ", afferma la coautrice Vicky Kalogera, un professore alla Northwestern University. "Non sappiamo se questo oggetto è la stella di neutroni più pesante conosciuta, o il buco nero più leggero conosciuto, ma in ogni caso batte un record".
"Questo cambierà il modo in cui gli scienziati parlano di stelle di neutroni e buchi neri, ", afferma il coautore Patrick Brady, professore all'Università del Wisconsin, Milwaukee, e il portavoce della collaborazione scientifica LIGO. "Il divario di massa potrebbe in effetti non esistere affatto, ma potrebbe essere dovuto a limitazioni nelle capacità di osservazione. Il tempo e più osservazioni lo diranno".
La fusione cosmica descritta nello studio, un evento denominato GW190814, ha provocato un buco nero finale circa 25 volte la massa del sole (parte della massa fusa è stata convertita in un'esplosione di energia sotto forma di onde gravitazionali). Il buco nero appena formato si trova a circa 800 milioni di anni luce dalla Terra.
Prima che i due oggetti si fondessero, le loro masse differivano di un fattore 9, rendendo questo il rapporto di massa più estremo noto per un evento di onde gravitazionali. Un altro evento LIGO-Virgo segnalato di recente, chiamato GW190412, si è verificato tra due buchi neri con un rapporto di massa di circa 4:1.
"È una sfida per gli attuali modelli teorici formare coppie di oggetti compatti con un rapporto di massa così grande in cui il partner di massa bassa risiede nel divario di massa. Questa scoperta implica che questi eventi si verificano molto più spesso di quanto previsto, rendendolo un oggetto di piccola massa davvero intrigante, " spiega Kalogera. "L'oggetto misterioso potrebbe essere una stella di neutroni che si fonde con un buco nero, un'eccitante possibilità prevista teoricamente ma non ancora confermata osservativamente. Però, a 2,6 volte la massa del nostro sole, supera le moderne previsioni per la massa massima delle stelle di neutroni, e potrebbe invece essere il buco nero più leggero mai rilevato."
Questo grafico mostra le masse dei buchi neri rilevate attraverso osservazioni elettromagnetiche (viola), i buchi neri misurati dalle osservazioni di onde gravitazionali (blu), le stelle di neutroni misurate con osservazioni elettromagnetiche (giallo), e le stelle di neutroni rilevate tramite onde gravitazionali (arancione). GW190814 è evidenziato al centro del grafico come la fusione di un buco nero e un oggetto misterioso circa 2,6 volte la massa del sole. Credito:LIGO-Virgo/ Frank Elavsky &Aaron Geller (Nordovest)
Quando gli scienziati di LIGO e Virgo hanno individuato questa fusione, hanno immediatamente inviato un avviso alla comunità astronomica. Decine di telescopi terrestri e spaziali sono stati seguiti alla ricerca di onde luminose generate nell'evento, ma nessuno ha raccolto alcun segnale. Finora, tali controparti leggere ai segnali di onde gravitazionali sono state viste solo una volta, in un evento chiamato GW170817. L'evento, scoperto dalla rete LIGO-Virgo nell'agosto del 2017, coinvolse una violenta collisione tra due stelle di neutroni che fu successivamente testimoniata da dozzine di telescopi sulla Terra e nello spazio. Le collisioni di stelle di neutroni sono affari disordinati con materia proiettata verso l'esterno in tutte le direzioni e quindi ci si aspetta che brilli di luce. Al contrario, fusioni di buchi neri, nella maggior parte delle circostanze, si pensa che non producano luce.
Secondo gli scienziati di LIGO e Virgo, l'evento di agosto 2019 non è stato visto dai telescopi basati sulla luce per alcuni possibili motivi. Primo, questo evento è stato sei volte più lontano rispetto alla fusione osservata nel 2017, rendendo più difficile la ricezione di eventuali segnali luminosi. In secondo luogo, se la collisione ha coinvolto due buchi neri, probabilmente non avrebbe brillato di alcuna luce. In terzo luogo, se l'oggetto fosse in effetti una stella di neutroni, il suo compagno buco nero 9 volte più massiccio potrebbe averlo inghiottito intero; una stella di neutroni consumata intera da un buco nero non emetterebbe alcuna luce.
"Penso a Pac-Man che mangia un puntino, " dice Kalogera. "Quando le masse sono altamente asimmetriche, la stella di neutroni più piccola può essere mangiata in un boccone."
Come faranno i ricercatori a sapere se l'oggetto misterioso era una stella di neutroni o un buco nero? Osservazioni future con LIGO, Vergine, e forse altri telescopi potrebbero catturare eventi simili che aiuterebbero a rivelare se esistono oggetti aggiuntivi nel divario di massa.
"Questo è il primo assaggio di quella che potrebbe essere un'intera nuova popolazione di oggetti binari compatti, "dice Charlie Hoy, un membro della collaborazione scientifica LIGO e uno studente laureato presso l'Università di Cardiff. "Ciò che è veramente eccitante è che questo è solo l'inizio. Poiché i rilevatori diventano sempre più sensibili, osserveremo ancora più di questi segnali, and we will be able to pinpoint the populations of neutron stars and black holes in the universe."
"The mass gap has been an interesting puzzle for decades, and now we've detected an object that fits just inside it, " says Pedro Marronetti, program director for gravitational physics at the National Science Foundation (NSF). "That cannot be explained without defying our understanding of extremely dense matter or what we know about the evolution of stars. This observation is yet another example of the transformative potential of the field of gravitational-wave astronomy, which brings novel insights to light with every new detection."
