Quando due stelle di neutroni si avvolgono l'una nell'altra e si fondono per formare un buco nero, un evento registrato nel 2017 da rivelatori di onde gravitazionali e telescopi in tutto il mondo, diventa immediatamente un buco nero? O ci vuole un po' per rallentare prima di collassare gravitazionalmente oltre l'orizzonte degli eventi in un buco nero?

Le osservazioni in corso di quella fusione del 2017 da parte dell'Osservatorio a raggi X Chandra, un telescopio orbitante, suggeriscono quest'ultimo:che l'oggetto fuso si sia bloccato, probabilmente per un secondo, prima di subire il collasso definitivo.

L'evidenza è sotto forma di un bagliore residuo di raggi X dalla fusione, soprannominato GW170817, che non ci si aspetterebbe se le stelle di neutroni unite collassassero immediatamente in un buco nero. Il bagliore residuo può essere spiegato come un rimbalzo di materiale sulle stelle di neutroni unite, che hanno attraversato e riscaldato il materiale attorno alle stelle binarie di neutroni. Questo materiale caldo ha ora mantenuto il residuo luminoso costantemente più di quattro anni dopo che la fusione ha lanciato il materiale verso l'esterno in quella che viene chiamata kilonova. Le emissioni di raggi X da un getto di materiale rilevato da Chandra poco dopo la fusione si sarebbero altrimenti attenuate ormai.

Mentre le emissioni di raggi X in eccesso osservate da Chandra potrebbero provenire da detriti in un disco di accrescimento che vorticano intorno e alla fine cadono nel buco nero, l'astrofisica Raffaella Margutti dell'Università della California, Berkeley, è favorevole all'ipotesi del collasso ritardato, che è prevista teoricamente.

"Se le stelle di neutroni unite dovessero collassare direttamente in un buco nero senza uno stadio intermedio, sarebbe molto difficile spiegare questo eccesso di raggi X che vediamo in questo momento, perché non ci sarebbe superficie dura per far rimbalzare le cose e volare ad alta velocità per creare questo bagliore residuo", ha detto Margutti, professore associato di astronomia e fisica della UC Berkeley. "Ci cadrebbe. Fatto. Il vero motivo per cui sono eccitato scientificamente è la possibilità che stiamo vedendo qualcosa di più del jet. Potremmo finalmente ottenere alcune informazioni sul nuovo oggetto compatto."

Margutti e i suoi colleghi, inclusa la prima autrice Aprajita Hajela, che era la studentessa laureata di Margutti quando era alla Northwestern University prima di trasferirsi alla UC Berkeley, riportano la loro analisi del bagliore residuo dei raggi X in un articolo recentemente accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Lettere di diario .

Il bagliore radioattivo di una kilonova

Le onde gravitazionali della fusione sono state rilevate per la prima volta il 17 agosto 2017 dall'Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) e dalla collaborazione Virgo. Telescopi satellitari e terrestri si sono rapidamente seguiti per registrare un'esplosione di raggi gamma ed emissioni nel visibile e nell'infrarosso che insieme hanno confermato la teoria secondo cui molti elementi pesanti vengono prodotti all'indomani di tali fusioni all'interno di ejecta calda che produce una kilonova brillante. La kilonova si illumina a causa della luce emessa durante il decadimento degli elementi radioattivi, come platino e oro, che vengono prodotti nei detriti della fusione.

Anche Chandra si girò per osservare GW170817, ma non vide raggi X fino a nove giorni dopo, suggerendo che la fusione produceva anche uno stretto getto di materiale che, scontrandosi con il materiale attorno alle stelle di neutroni, emetteva un cono di raggi X che inizialmente ha mancato la Terra. Solo in seguito la testa del getto si è espansa e ha iniziato a emettere raggi X in un getto più ampio visibile dalla Terra.

Le emissioni di raggi X del jet sono aumentate per 160 giorni dopo la fusione, dopodiché sono diminuite costantemente man mano che il jet rallentava e si espandeva. Ma Hajela e il suo team hanno notato che da marzo 2020, circa 900 giorni dopo la fusione, fino alla fine del 2020, il declino si è interrotto e le emissioni di raggi X sono rimaste approssimativamente costanti in termini di luminosità.

"Il fatto che i raggi X abbiano smesso di sbiadire rapidamente è stata la nostra migliore prova ancora che qualcosa in aggiunta a un getto viene rilevato nei raggi X in questa sorgente", ha detto Margutti. "Sembra necessaria una sorgente di raggi X completamente diversa per spiegare ciò che stiamo vedendo."

I ricercatori suggeriscono che i raggi X in eccesso sono prodotti da un'onda d'urto distinta dai getti prodotti dalla fusione. Questo shock è stato il risultato del collasso ritardato delle stelle di neutroni unite, probabilmente perché la sua rotazione rapida ha contrastato molto brevemente il collasso gravitazionale. Rimanendo per un secondo in più, il materiale attorno alle stelle di neutroni ha ottenuto un rimbalzo extra che ha prodotto una coda molto veloce di kilonova ejecta che ha creato lo shock.

"Pensiamo che l'emissione di bagliore residuo della kilonova sia prodotta da materiale scioccato nel mezzo circumbinary", ha detto Margutti. "È il materiale che si trovava nell'ambiente delle due stelle di neutroni che è stato scioccato e riscaldato dal bordo più veloce della kilonova espulsa, che sta guidando l'onda d'urto."

La radiazione ci sta raggiungendo solo ora perché ci è voluto del tempo prima che la pesante kilonova ejecta venisse decelerata nell'ambiente a bassa densità e perché l'energia cinetica dell'ejecta fosse convertita in calore dagli shock, ha detto. Questo è lo stesso processo che produce radio e raggi X per il getto, ma poiché il getto è molto, molto più leggero, viene immediatamente decelerato dall'ambiente e brilla nei raggi X e nella radio fin dai primissimi tempi.

Una spiegazione alternativa, notano i ricercatori, è che i raggi X provengano da materiale che cade verso il buco nero formatosi dopo la fusione delle stelle di neutroni.

"Questa sarebbe la prima volta che vediamo un bagliore residuo di kilonova o la prima volta che vediamo materiale cadere su un buco nero dopo una fusione di stelle di neutroni", ha detto il coautore Joe Bright, un ricercatore post-dottorato della UC Berkeley. "Ogni risultato sarebbe estremamente eccitante."

Chandra è ora l'unico osservatorio ancora in grado di rilevare la luce da questa collisione cosmica. Tuttavia, le osservazioni di follow-up di Chandra e dei radiotelescopi potrebbero distinguere tra le spiegazioni alternative. Se si tratta di un bagliore residuo di kilonova, si prevede che l'emissione radio verrà rilevata di nuovo nei prossimi mesi o anni. Se i raggi X vengono prodotti dalla materia che cade su un buco nero appena formato, l'emissione di raggi X dovrebbe rimanere stabile o diminuire rapidamente e nel tempo non verrà rilevata alcuna emissione radio.

Margutti spera che LIGO, Virgo e altri telescopi catturino le onde gravitazionali e le onde elettromagnetiche da più fusioni di stelle di neutroni in modo che la serie di eventi precedenti e successivi alla fusione possa essere definita in modo più preciso e contribuire a rivelare la fisica della formazione dei buchi neri. Fino ad allora, GW170817 è l'unico esempio disponibile per lo studio.

"Ulteriori studi su GW170817 potrebbero avere implicazioni di vasta portata", ha affermato la coautrice Kate Alexander, una ricercatrice post-dottorato anch'essa della Northwestern University. "Il rilevamento di un bagliore residuo di kilonova implicherebbe che la fusione non ha prodotto immediatamente un buco nero. In alternativa, questo oggetto potrebbe offrire agli astronomi la possibilità di studiare come la materia cade su un buco nero pochi anni dopo la sua nascita."

Margutti e il suo team hanno recentemente annunciato che il telescopio Chandra aveva rilevato raggi X nelle osservazioni di GW170817 eseguite nel dicembre 2021. L'analisi di tali dati è in corso. Non è stato segnalato alcun rilevamento radio associato ai raggi X.