In uno studio pubblicato di recente, un team di ricercatori guidati dall'ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) presso l'università di Monash suggerisce un metodo innovativo per analizzare le onde gravitazionali da fusioni di stelle di neutroni, dove due stelle si distinguono per tipo (piuttosto che per massa), a seconda della velocità con cui girano.

Le stelle di neutroni sono oggetti stellari estremamente densi che si formano quando le stelle giganti esplodono e muoiono, nell'esplosione, i loro nuclei crollano, e i protoni e gli elettroni si fondono l'uno nell'altro per formare una stella di neutroni residua.

Nel 2017, la fusione di due stelle di neutroni, chiamato GW170817, è stato osservato per la prima volta dai rivelatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo. Questa fusione è nota perché gli scienziati sono stati anche in grado di vedere la luce prodotta da essa:raggi gamma ad alta energia, luce visibile, e microonde. Da allora, ogni giorno sono stati pubblicati in media tre studi scientifici su GW170817.

A gennaio di quest'anno, le collaborazioni LIGO e Virgo hanno annunciato un secondo evento di fusione di stelle di neutroni chiamato GW190425. Sebbene non sia stata rilevata alcuna luce, questo evento è particolarmente intrigante perché le due stelle di neutroni che si fondono sono significativamente più pesanti di GW170817, così come le stelle a doppio neutrone precedentemente note nella Via Lattea.

Gli scienziati usano i segnali delle onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio e del tempo, per rilevare coppie di stelle di neutroni e misurarne le masse. La stella di neutroni più pesante della coppia è detta 'primaria'; quello più leggero è 'secondario'.

Lo schema di etichettatura riciclato-lento di un sistema binario di stelle di neutroni

Un sistema binario di stelle di neutroni di solito inizia con due stelle ordinarie, ciascuno da dieci a venti volte più massiccio del Sole. Quando queste enormi stelle invecchiano e finiscono il "carburante", le loro vite finiscono in esplosioni di supernova che lasciano resti compatti, o stelle di neutroni. Ogni stella di neutroni residua pesa circa 1,4 volte la massa del Sole, ma ha un diametro di soli 25 chilometri.

La stella di neutroni primogenita di solito passa attraverso un processo di "riciclo":accumula materia dalla sua stella accoppiata e inizia a ruotare più velocemente. La seconda stella di neutroni non accumula materia; anche la sua velocità di centrifuga rallenta rapidamente. Nel momento in cui le due stelle di neutroni si fonderanno, da milioni a miliardi di anni dopo, si prevede che il riciclato la stella di neutroni potrebbe ancora girare rapidamente, mentre l'altra stella di neutroni non riciclata probabilmente girerà lentamente .

Un altro modo in cui potrebbe formarsi un sistema binario di stelle di neutroni è attraverso interazioni in continua evoluzione in densi ammassi stellari. In questo scenario, due stelle di neutroni non correlate, da soli o in altri sistemi stellari separati, incontrarsi, si accoppiano e alla fine si fondono come una coppia felice a causa delle loro onde gravitazionali. Però, l'attuale modellizzazione degli ammassi stellari suggerisce che questo scenario è inefficace nella fusione delle stelle di neutroni.

Xingjiang Zhu, ricercatore postdottorato di OzGrav e autore principale dello studio, afferma:“La motivazione per proporre lo schema di etichettatura riciclata-lenta di un sistema binario di stelle di neutroni è duplice. Primo, è una caratteristica generica prevista per le fusioni di stelle di neutroni. Secondo, potrebbe essere inadeguato etichettare due stelle di neutroni come primarie e secondarie perché è più probabile che abbiano masse simili ed è difficile dire quale sia più pesante".

Il recente studio OzGrav ha dato un nuovo sguardo sia a GW170817 che a GW190425 adottando lo schema riciclato-lento. È stato scoperto che la stella di neutroni riciclata in GW170817 ruota solo leggermente o anche lentamente, considerando che quello di GW190425 sta girando rapidamente, possibilmente una volta ogni 15 millisecondi. È stato anche scoperto che è probabile che entrambi gli eventi di fusione contengano due stelle di neutroni di massa quasi uguale. Poiché non ci sono prove di spin in GW170817, e le stelle di neutroni ruotano nel tempo, i ricercatori hanno dedotto che il binario probabilmente ha impiegato miliardi di anni per fondersi. Questo concorda bene con le osservazioni della sua galassia ospite, chiamato NGC 4993, dove si sono trovate piccole attività di formazione stellare negli ultimi miliardi di anni.

Il ricercatore associato e collaboratore di OzGrav Gregory Ashton afferma:"La nostra struttura astrofisica proposta ci consentirà di rispondere a importanti domande sull'Universo, come ci sono diversi meccanismi di esplosione di supernova nella formazione di stelle di neutroni binarie? E fino a che punto le interazioni all'interno di densi ammassi stellari contribuiscono alla formazione di fusioni di stelle di neutroni?"

I rivelatori LIGO/Virgo hanno terminato il loro terzo ciclo di osservazione congiunto (O3) all'inizio di quest'anno e stanno attualmente effettuando la manutenzione programmata e gli aggiornamenti. Quando la quarta manche (O4) inizierà nel 2021, gli scienziati anticiperanno prontamente ulteriori scoperte di fusioni di stelle di neutroni. La prospettiva sarà ancora più brillante quando il rivelatore sotterraneo giapponese KAGRA e il rivelatore LIGO-India si uniranno alla rete globale nei prossimi anni.

"Siamo in un'epoca d'oro per lo studio delle stelle di neutroni binarie con rivelatori di onde gravitazionali altamente sensibili che forniranno dozzine di scoperte nei prossimi anni, ' aggiunge Zhu.