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Si apre una nuova era per l’osservazione dell’universo

Un unico strumento planetario è stato in grado di indicare la direzione nel cielo dove è avvenuta la fusione di due stelle di neutroni

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Il 17 agosto 2017 è una data destinata a rimanere nella storia della scienza.
Alle 14:41, ora italiana, gli osservatori gravitazionali Ligo e Virgo hanno visto per la prima volta la collisione fra due stelle di neutroni.
L’osservazione simultanea da parte dei telescopi spaziali Fermi (NASA) e Integral (ESA) di un breve lampo di raggi gamma associato alla stessa sorgente ha permesso di fare un salto notevole nella comprensione dell’universo.
È la dimostrazione tanto attesa che i lampi di raggi gamma brevi, scoperti più di 40 anni fa, sono dovuti alla collisione di stelle di neutroni. Allo stesso tempo è la prima volta che un evento osservato dai rivelatori di onde gravitazionali viene visto anche da osservatori astronomici in orbita e a terra.
 
Circa due anni fa le collaborazioni Ligo e Virgo sono riuscite a osservare per la prima volta le onde gravitazionali.
Oggi, a meno di due settimane dal conferimento del premio Nobel per la Fisica per quel traguardo, Ligo e Virgo annunciano un secondo risultato di enorme rilevanza scientifica, che dimostra quanto sia stata feconda l’apertura di questa nuova finestra per l’esplorazione del cosmo.
L’annuncio di questa osservazione, destinata a cambiare il modo in cui si guarda allo spazio, è stato seguito in tutto il mondo e anche all’Università di Trento, in un’aula affollata del Dipartimento di Fisica a Povo, collegati in diretta con la conferenza stampa in corso a Washington DC (USA) della collaborazione LIGO/Virgo e di circa 70 osservatori astronomici.
 

 
 La notizia 
Per la prima volta nella storia dell’osservazione dell’universo, è stata rivelata un’onda gravitazionale prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni e captata, dalle onde radio fino ai raggi gamma, la radiazione elettromagnetica associata alla poderosa esplosione avvenuta durante il fenomeno.
È la prima volta che un evento cosmico viene osservato sia nelle onde gravitazionali che elettromagnetiche, avviando così l’era dell’astronomia multimessaggera, che estende in modo decisivo il nostro modo di «vedere» e «ascoltare» il cosmo.
La scoperta è stata realizzata grazie alla sinergia tra i due Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (l'Osservatorio LIGO) negli Stati Uniti insieme al rivelatore VIRGO, in Europa, abbinata alle osservazioni e alle indagini nella banda elettromagnetica ottenute da 70 telescopi a terra, tra cui REM, VST, VLT, e osservatori spaziali, come Fermi e Integral, Swift, Chandra, Hubble, che hanno permesso di caratterizzare in modo chiaro tutta l’evoluzione dell’evento astrofisico.
 
Giovanni Andrea Prodi, coordinatore delle attività di analisi dati di Virgo e fisico dell’Università di Trento, ha seguito l’evento da Roma, dove era in corso una conferenza stampa al MIUR, promossa dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), dall’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
«Questo risultato – ha commentato Prodi – apre una nuova era per l’astronomia, l’astronomia “multimessaggera”. Grazie alle informazioni ricevute dalle onde gravitazionali, possiamo finalmente svelare la natura di alcuni fra gli eventi astrofisici più catastrofici: i lampi di raggi gamma.
«Ciò è stato possibile grazie all’ingresso di Virgo nella rete di antenne per onde gravitazionali. I tre rivelatori LIGO e Virgo hanno lavorato nell’agosto 2017 come un singolo strumento planetario, rendendo possibile indicare la direzione nel cielo dove è avvenuta la fusione di due stelle di neutroni.
«I telescopi sono così riusciti a seguire l’evoluzione della luce emessa dalla materia espulsa dall’urto, a tutte le lunghezze d’onda. In quei processi si formano materiali per noi essenziali, gli elementi più pesanti del ferro, una parte importante della polvere di stelle di cui è fatto il nostro mondo.
«L’osservazione ha anche permesso di confrontare la velocità delle onde gravitazionali e della luce nella loro corsa verso la terra, concludendo che sono uguali a meglio di una parte su un milione di miliardi.»
 
L’attesa e l’entusiasmo oggi all’Università di Trento per questa notizia erano palpabili, anche considerato il ruolo che i fisici trentini hanno avuto nella scoperta.
«Il gruppo di Trento si occupa dello studio teorico di queste sorgenti per mezzo di simulazioni numeriche su supercomputer ed è in particolare attivo proprio sugli aspetti volti a trovare una connessione tra il segnale gravitazionale e le sue controparti elettromagnetiche, – spiega Bruno Giacomazzo, fisico dell’Ateneo. – La scoperta di oggi non soltanto conferma l’importanza di questi studi, ma ci spinge anche ad aumentare ulteriormente gli sforzi fatti a Trento per essere pronti anche quando Virgo e LIGO avranno aumentato ulteriormente la loro sensibilità e saranno a disposizione nuove e più accurate misure.
«È definitivamente iniziata una nuova era nel campo della Astrofisica.»
 
Collegato da Washington DC, anche il fisico Antonio Perreca, fisico arrivato dal California Institute of Technology (Caltech) e di recente entrato a far parte del corpo accademico dell’Ateneo trentino.
«Da quest’anno l’Università di Trento assume un ruolo di primo piano anche dal punto di vista sperimentale, contribuendo all’aumento della sensibilità di Virgo che permetterà insieme a LIGO di captare segnali più lontani e allo stesso tempo di aumentare il numero di rivelazioni.»
 
 L’ultima danza di una coppia di stelle di neutroni 

 
Questa simulazione mostra gli ultimi istanti della collisione di due stelle di neutroni.
La collisione mostrata nella simulazione avviene molto più rapidamente in realtà (in meno di un centesimo di secondo) e produce forti onde gravitazionali. La simulazione mostra uno dei possibili scenari per la collisione che ha generato il segnale GW170817, misurato dagli interferometri gravitazionali LIGO e Virgo.
Il risultato finale della collisione potrebbe essere stata la formazione di una stella di neutroni o di un buco nero (quest’ultimo è il caso mostrato nel filmato).
Il filmato è stato prodotto all’Università di Trento e da INFN-TIFPA in collaborazione con l’Albert Einstein Institute di Hannover (Germania) e l’Istituto Nazionale di AstroFisica (INAF) di Padova.
Autori: W. Kastaun/T. Kawamura/B. Giacomazzo/R. Ciolfi/A. Endrizzi/AEI Hannover/INAF/INFN-TIFPA/Università di Trento
 
 La nascita di un lampo di raggi gamma 

 
Questa immagine mostra il risultato di una simulazione numerica della collisione di due stelle di neutroni.
Dopo la formazione del buco nero (non visibile, ma al centro della figura) si forma un disco di materia (superficie azzurra) e una zona a bassa densità (superficie in giallo) contenuta all’interno di una regione dove il campo magnetico ha una forma elicoidale (linee di diverso colore nell’immagine).
È in queste condizioni che si pensa che un getto relativistico possa essere prodotto ed un lampo breve di raggi gamma nascere.
Autori: W. Kastaun/T. Kawamura/B. Giacomazzo/R. Ciolfi/A. Endrizzi/AEI Hannover/INAF/INFN-TIFPA/Università di Trento
Pubblicato in Kawamura et al 2016, Phys Rev D, 94, 064012
 
 Glossario 
Stelle di neutroni: stelle di massa tipicamente 1,4 volte quella del Sole, ma che possono raggiungere fino a 2 volte la massa del Sole, ma con un raggio inferiore ai 15 km. Un cucchiaino della materia di cui sono composte pesa più del monte Bondone.
 
Lampi di raggi gamma: fenomeni esplosivi osservati fin dagli anni 60. Si dividono in lunghi, associati con le esplosioni di supernove a seguito della morte di stelle massicce, e brevi, la cui origine invece è stata un mistero fino ad oggi.

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