La prima rivelazione di onde gravitazionali dalla fusione catastrofica di due stelle di neutroni, e l'osservazione della luce visibile all'indomani di quella fusione, finalmente rispondere a una domanda di vecchia data in astrofisica:dove finiscono gli elementi più pesanti, che vanno dall'argento e altri metalli preziosi all'uranio, vieni da?

In base alla luminosità e al colore della luce emessa a seguito della fusione, che corrispondono strettamente alle previsioni teoriche dell'Università della California, Fisici del Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory, gli astronomi possono ora dire che l'oro o il platino nella vostra fede nuziale è stato con ogni probabilità forgiato durante la breve ma violenta fusione di due stelle di neutroni orbitanti da qualche parte nell'universo.

Questo è il primo rilevamento di una fusione di stelle di neutroni da parte dei rivelatori del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti, i cui leader hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica due settimane fa, e il rivelatore Virgo in Italia. LIGO aveva precedentemente rilevato onde gravitazionali da quattro fusioni di buchi neri, e Vergine uno, ma tali eventi dovrebbero essere completamente oscuri. Questa è la prima volta che viene rilevata la luce associata a una sorgente di onde gravitazionali.

"Lavoriamo da anni per prevedere come sarebbe la luce di una fusione di neutroni, " ha detto Daniel Kasen, un professore associato di fisica e di astronomia all'UC Berkeley e uno scienziato al Berkeley Lab. "Ora quella speculazione teorica ha improvvisamente preso vita".

La fusione di stelle di neutroni, soprannominato GW170817, è stato rilevato il 17 agosto e immediatamente telegrafato agli osservatori di tutto il mondo, che volgevano i loro piccoli e grandi telescopi sulla regione del cielo da cui proveniva. Le increspature nello spaziotempo misurate da LIGO/Virgo suggerivano una fusione di stelle di neutroni, poiché ogni stella del binario pesava tra 1 e 2 volte la massa del nostro sole. Oltre ai buchi neri, le stelle di neutroni sono gli oggetti più densi conosciuti nell'universo. Si creano quando una stella massiccia esaurisce il suo carburante e collassa su se stessa, comprimendo una massa paragonabile a quella del sole in una sfera di sole 10 miglia di diametro.

Solo 1,7 secondi dopo la registrazione delle onde gravitazionali, il telescopio spaziale Fermi ha rilevato un breve lampo di raggi gamma dalla stessa regione, prove che durante la fusione di stelle di neutroni vengono prodotti getti concentrati di energia. Meno di 11 ore dopo, gli osservatori hanno intravisto per la prima volta la luce visibile dalla sorgente. Era localizzato in una galassia conosciuta, NGC 4993, situato a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra in direzione della costellazione dell'Idra.

Il rilevamento di una fusione di stelle di neutroni è stato sorprendente, perché le stelle di neutroni sono molto più piccole dei buchi neri e le loro fusioni producono onde gravitazionali molto più deboli delle fusioni di buchi neri. Secondo il professore di astronomia e fisica di Berkeley Eliot Quataert, "Aspettavamo che LIGO trovasse una fusione di stelle di neutroni nei prossimi anni, ma vederla così vicina - per gli astronomi - e così brillante in una luce normale ha superato tutte le nostre più rosee aspettative. E, ancora più sorprendentemente, si scopre che la maggior parte delle nostre previsioni su come sarebbero state le fusioni di stelle di neutroni viste dai normali telescopi erano corrette!"

Le osservazioni LIGO/Virgo delle onde gravitazionali e il rilevamento della loro controparte ottica saranno discusse in una conferenza stampa alle 10:00 EDT lunedì, 16 ottobre al National Press Club di Washington, D.C. Contemporaneamente, diverse dozzine di articoli che discutono le osservazioni saranno pubblicate online da Natura , Scienza e il Giornale Astrofisico Lettere.

Genesi degli elementi

Mentre l'idrogeno e l'elio si sono formati nel Big Bang 13,8 miliardi di anni fa, elementi più pesanti come il carbonio e l'ossigeno si sono formati più tardi nei nuclei delle stelle attraverso la fusione nucleare di idrogeno ed elio. Ma questo processo può solo costruire elementi fino al ferro. Realizzare gli elementi più pesanti richiede un ambiente speciale in cui gli atomi vengono ripetutamente bombardati da neutroni liberi. Quando i neutroni si attaccano ai nuclei atomici, vengono costruiti gli elementi più in alto nella tavola periodica.

Dove e come avviene questo processo di produzione di elementi pesanti è stata una delle domande più lunghe in astrofisica. L'attenzione recente si è rivolta alle fusioni di stelle di neutroni, dove la collisione delle due stelle scaglia nello spazio nubi di materia ricca di neutroni, dove potevano assemblarsi in elementi pesanti.

La speculazione secondo cui gli astronomi potrebbero vedere la luce da elementi così pesanti risale agli anni '90, ma l'idea aveva perlopiù preso polvere fino al 2010, quando Brian Metzger, poi uno studente neolaureato alla UC Berkeley, ora professore di astrofisica alla Columbia University, è stato coautore di un articolo con Quataert e Kasen in cui hanno calcolato la radioattività dei detriti della stella di neutroni e ne hanno stimato la luminosità per la prima volta.

"Mentre la nuvola di detriti si espande nello spazio, "Metzger ha detto, "il decadimento degli elementi radioattivi lo mantiene caldo, facendolo risplendere."

Metzger, Quataert, Kasen e i suoi collaboratori hanno dimostrato che questa luce proveniente dalle fusioni di stelle di neutroni era circa mille volte più luminosa delle normali esplosioni di nova nella nostra galassia, motivandoli a chiamare questi lampi esotici "kilonovae".

Ancora, restavano le domande di base su come sarebbe stata effettivamente una kilonova.

"I detriti di fusione di stelle di neutroni sono roba strana - una miscela di metalli preziosi e scorie radioattive, " ha detto Kasen.

Gli astronomi non conoscono fenomeni comparabili, così Kasen e collaboratori hanno dovuto rivolgersi alla fisica fondamentale e risolvere equazioni matematiche che descrivono come la struttura quantistica degli atomi pesanti determina il modo in cui emettono e assorbono la luce.

Jennifer Barnes, un borsista postdottorato Einstein alla Columbia, ha lavorato come studente laureato a Berkeley con Kasen per fare alcune delle prime previsioni dettagliate di come dovrebbe apparire una chilonova.

"Quando abbiamo calcolato le opacità degli elementi formati in una fusione di stelle di neutroni, abbiamo trovato molte variazioni. Gli elementi più leggeri erano otticamente simili agli elementi trovati nelle supernove, ma gli atomi più pesanti erano più di cento volte più opachi di quello che siamo abituati a vedere nelle esplosioni astrofisiche, " ha detto Barnes. "Se sono presenti elementi pesanti nei detriti della fusione, la loro elevata opacità dovrebbe conferire alle kilonovae una tonalità rossastra."

"Penso che abbiamo deluso l'intera comunità degli astrofisici quando abbiamo annunciato per la prima volta che, " ha detto Kasen. "Stavamo prevedendo che una kilonova dovrebbe essere relativamente debole e più rossa del rosso, il che significa che sarebbe una cosa incredibilmente difficile da trovare. Il lato positivo, avevamo definito una pistola fumante:puoi dire che stai vedendo elementi pesanti appena prodotti dal loro caratteristico colore rosso."

Questo è proprio ciò che hanno osservato gli astronomi.

Una "previsione infida"

La scoperta di agosto LIGO/Virgo di una fusione di stelle di neutroni significava che "il giorno del giudizio per i teorici sarebbe arrivato prima del previsto, " ha detto Kasen.

"Per anni l'idea di una kilonova era esistita solo nella nostra immaginazione teorica e nei nostri modelli informatici, " ha detto. "Data la fisica complessa coinvolta, e il fatto che avessimo praticamente zero input di osservazione per guidarci, era una previsione follemente infida:i teorici si stavano davvero mettendo a dura prova".

Ma man mano che i dati arrivavano, una notte dopo l'altra, le immagini cominciarono ad assemblarsi in un quadro sorprendentemente familiare.

Nelle prime due notti di osservazione, il colore dell'evento di fusione era relativamente blu con una luminosità che corrispondeva alle previsioni dei modelli di kilonova sorprendentemente bene se gli strati esterni dei detriti della fusione sono fatti di elementi preziosi leggeri come l'argento. Però, nei giorni successivi l'emissione si fece sempre più rossa, una firma che gli strati interni della nuvola di detriti contengono anche gli elementi più pesanti, come il platino, oro e uranio.

"Forse la sorpresa più grande è stata come si è comportato bene il segnale visivo rispetto alle nostre aspettative teoriche, "Metzger ha osservato. "Nessuno aveva mai visto da vicino una fusione di stelle di neutroni. Mettere insieme il quadro completo di un tale evento coinvolge una vasta gamma di fisica:relatività generale, idrodinamica, fisica Nucleare, fisica atomica. Combinare tutto questo e trovare una previsione che corrisponda alla realtà della natura è un vero trionfo per l'astrofisica teorica".

Kasen, che era anche membro di gruppi di osservazione che hanno scoperto e condotto osservazioni di follow-up della fonte, ha ricordato l'eccitazione del momento:"Stavo sveglio dopo le 3 del mattino, notte dopo notte, confrontando i nostri modelli con i dati più recenti, e pensando, 'Non posso credere che questo stia accadendo; Sto guardando qualcosa di mai visto prima sulla Terra, e penso di capire davvero quello che sto vedendo.'"

Kasen e i suoi colleghi hanno presentato modelli di kilonova aggiornati e interpretazioni teoriche delle osservazioni in un documento pubblicato il 16 ottobre prima della pubblicazione in Natura . I loro modelli vengono anche utilizzati per analizzare un'ampia serie di dati presentati in sette documenti aggiuntivi che compaiono in Natura , Scienza e il Giornale Astrofisico .

Non solo le osservazioni hanno confermato le previsioni teoriche, ma la modellazione ha permesso a Kasen e ai suoi colleghi di calcolare la quantità e la composizione chimica del materiale prodotto. Gli scienziati hanno dedotto che è stato prodotto circa il 6% di una massa solare di elementi pesanti. La resa del solo oro era di circa 200 masse terrestri, e quello del platino di quasi 500 masse terrestri.

Inizialmente, gli astrofisici pensavano che le normali supernove potessero spiegare gli elementi pesanti, ma ci sono sempre stati problemi con quella teoria, ha detto il coautore Enrico Ramirez-Ruiz, un professore di astronomia e astrofisica all'UC Santa Cruz. Secondo Ramirez-Ruiz, le nuove osservazioni supportano la teoria che le fusioni di stelle di neutroni possano spiegare tutto l'oro nell'universo, così come circa la metà di tutti gli altri elementi più pesanti del ferro.

"La maggior parte delle volte nella scienza lavori per far avanzare gradualmente un argomento stabilito, " Ha detto Kasen. "È raro essere in giro per la nascita di un campo completamente nuovo dell'astrofisica. Penso che siamo tutti molto fortunati ad aver avuto la possibilità di interpretare un ruolo".

Il lavoro di Kasen è supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, e le simulazioni sono state rese possibili dalle risorse del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Il lavoro di Kasen e Quataert è sostenuto dalla Gordon and Betty Moore Foundation. Quataert è anche sostenuto dalla Fondazione Simons.