• Stelle Di Neutroni

Lo spaziotempo trema: per la prima volta gli astronomi vedono un buco nero che mangia una stella di neutroni

• 2024

Per la prima volta in assoluto, gli astronomi hanno rilevato la cosa più spaventosa nell'Universo che mangia la seconda cosa più spaventosa: un buco nero che divora una stella di neutroni.

Questo è allo stesso tempo uno dei risultati di ricerca più interessanti e agghiaccianti di cui abbia mai scritto. Una fusione tra questi due tipi più densi di oggetti nell'Universo crea a colossale esplosione, ma completamente oscura. L'unico modo in cui è stato rilevato è perché ha letteralmente scosso il tessuto dello spaziotempo .

Anche meglio? Gli astronomi ne hanno rilevato un secondo solo dieci giorni dopo.

I temibili eventi sono stati trovati da la collaborazione LIGO-Virgo , strutture progettate per rilevare onde gravitazionali , vere increspature nel tessuto dello spaziotempo. Einstein predisse che queste onde sarebbero state generate da qualsiasi massa accelerata, ma sono di ampiezza troppo bassa e pastose per essere rilevate a meno che l'oggetto non sia massiccio, denso e fortemente accelerato.

Tuttavia, quando i buchi neri o le stelle di neutroni si fondono, gli oggetti che sono larghi pochi chilometri ma hanno una massa pari a quella delle stelle vengono accelerati l'uno intorno all'altro a velocità schiaccianti, abbastanza da creare onde gravitazionali taglienti. Queste onde si espandono verso l'esterno alla velocità della luce, ma si indeboliscono con la distanza. Possiamo rilevarli da centinaia di milioni o miliardi di anni luce di distanza, ma a quel punto si sono indeboliti così tanto che l'allungamento dello spaziotempo è estremamente piccolo, motivo per cui sono stati previsti un secolo fa ma non sono stati rilevati direttamente fino al 2015 ( Ho dettagli su quella prima scoperta epocale e su come funziona tutto questo in un articolo di quel tempo).

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Opera d'arte raffigurante la fusione di una stella di neutroni (a destra) con un buco nero (a sinistra). Credito: Carl Knox (OzGrav)

Da allora sono stati osservati dozzine di eventi, per lo più coppie di buchi neri che si sono fusi, sebbene anche la fusione di stelle di neutroni sia stata osservata due volte. Fino ad ora, però, nessun buco nero è mai stato visto mangiare una stella di neutroni – infatti, nessun sistema binario buco nero/stella di neutroni è mai stato rilevato nella nostra galassia!

Gli eventi sono stati rilevati il ​​5 gennaio 2020 e il 15 gennaio 2020 e sono denominati rispettivamente GW200105_162426 e GW200115_042309 ( GW per le onde gravitazionali, quindi i numeri si riferiscono alla data e all'ora del giorno in cui sono stati rilevati). Il primo (chiamiamolo GW200105) era un segnale forte, ma visto chiaramente solo in uno dei tre rivelatori (un secondo è stato spento in quel momento, ed è stato visto solo debolmente nel terzo). Il secondo (GW200115) è stato visto in tutti e tre^*.

Quando un'onda gravitazionale attraversa la Terra, la forma e la forza delle onde ci dicono molto sul sistema che le ha create. Entrambi gli eventi sono stati statisticamente significativi (il che significa che gli astronomi pensano che siano reali) e in entrambi i casi le masse dei due oggetti che si fondono erano piuttosto basse.

Una stella di neutroni è incredibilmente piccola e densa e racchiude la massa del Sole in una palla di pochi chilometri di diametro. Questa opera d'arte ne raffigura uno rispetto a Manhattan. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA

I due componenti che si sono fusi in GW200105 avevano masse di 8,9 e 1,9 volte la massa del Sole (con incertezze di circa 1,3 e 0,3 volte la massa del Sole, rispettivamente). Il primo componente è ben inserito nel territorio del buco nero - la massa minima per questo tipo di buco nero, pensiamo, sia circa 2,8 volte quella del Sole . Il secondo, però è al di sotto di quel limite, quindi è quasi certamente una stella di neutroni : Il incredibilmente nucleo denso di una stella massiccia dopo che la stella è esplosa come una supernova. Una sfera di neutronio (come viene chiamata questa materia) delle dimensioni di un gumball peserebbe quanto ogni singolo essere umano sulla Terra messo insieme .

Lo stesso vale per il secondo evento, GW 200115: le masse sono 5,7 (±2 circa) e 1,5 (±0,5 circa) volte quella del Sole. Quindi, di nuovo, abbastanza chiaramente un buco nero e una stella di neutroni.

Entrambi i sistemi hanno iniziato la vita come due stelle normali ma massicce che orbitano l'una intorno all'altra. Uno era probabilmente 20 volte la massa del Sole. Ha attraversato rapidamente il suo combustibile nucleare, probabilmente in pochi milioni di anni. Si è poi gonfiato in una stella supergigante rossa (come Antares o Betelgeuse). Era così grande che probabilmente ha inghiottito o quasi inghiottito la stella compagna per un breve periodo, e quella seconda stella avrebbe strappato molta massa dalla prima stella, rendendosi più massiccia.

La prima stella è poi esplosa, formando un buco nero. Alla fine anche la seconda stella è esplosa, formando una stella di neutroni (o, a seconda delle masse iniziali e della rapidità con cui l'una ha perso materiale rispetto all'altra, potrebbe essere stato il contrario). Ad ogni modo, ciò che restava era una stella di neutroni in orbita attorno a un buco nero.

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Se una terza stella fosse stata nel sistema avrebbe potuto sbilanciare le due, facendole orbitare più vicine. Oppure è possibile che per miliardi di anni i due abbiano emesso deboli onde gravitazionali mentre orbitano, perdendo energia e lentamente a spirale insieme. Ad ogni modo, alla fine si sono avvicinati abbastanza e BANG. Il buco nero ha inghiottito la stella di neutroni.

Per inciso, se sei curioso: ciò che rimane dopo questo evento è un buco nero più massiccio e più grande. Fa parte dell'intera faccenda di un buco nero: cadi dentro e ora sei parte del buco nero.

L'energia orbitale di un tale sistema proprio prima di quel momento finale è difficile da capire. Due oggetti per un totale di parecchie volte la massa del Sole stanno vorticando l'uno intorno all'altro quasi alla velocità della luce. Quell'energia deve andare da qualche parte quando i due si fondono. Dove va è nello spaziotempo tremante.

Quando ciò accade, parte della massa del sistema viene convertita direttamente nell'energia delle onde gravitazionali. Questa è un'immensa quantità di energia. In questi due nuovi casi qualcosa come metà della massa del Sole è stata convertita in energia. Intendiamoci, questo viene fatto tramite l'equazione E=mc^2, e la velocità della luce al quadrato è un numero molto, molto grande. I momenti finali sono durati pochi secondi, ma la quantità di energia creata era qualcosa come 1 00 quintilioni di volte la luminosità totale del Sole (10^venti) nello stesso lasso di tempo!

Eppure era quasi certamente completamente buio. Non è stata emessa alcuna luce (nessun lampo è stato visto da alcun telescopio, almeno, e nessuno era necessariamente previsto). Tutta l'energia è andata in onde gravitazionali. Entrambi gli eventi erano a circa un miliardo di anni luce di distanza, e su quella vasta distanza i segnali si indebolirono enormemente. Quando sono arrivati ​​qui erano a malapena un sussurro. In realtà, ad essere onesti, un sussurro vicino ai rivelatori causerebbe un segnale molto più grande di questi eventi.

Fusioni come queste sono importanti perché non capiamo davvero completamente come si forma un buco nero e un sistema di stelle di neutroni, o come si evolve nel tempo. Il solo vedere questi eventi ci dice che esistono questi sistemi binari - un buon inizio - e anche quanto spesso accadono nel nostro volume di spazio locale (da questi ci aspetteremmo che ci sia circa una fusione ogni settimana da qualche parte entro 2 miliardi di anni luce da noi). Se ne vengono rilevati altri, aiuterà gli astronomi a capire come si comportano questi massicci binari stellari.

Che è grandioso! Finché sono lontani. Quel tipo di evento va bene per me quando accade in un'altra galassia. Anche uno più vicino sarebbe bello, per ottenere un segnale migliore ed essere in grado di analizzarlo meglio. Ma quando un mostro cosmico ne mangia un altro, per quanto fantastico e fico com'è, trovo che non mi dispiaccia avere un sedile con il sangue dal naso.

^* Nel 2019 è stato rilevato un evento simile, in cui un enorme buco nero si è fuso con quello che è probabilmente un buco nero di massa molto bassa. È possibile che il secondo oggetto fosse una stella di neutroni estremamente massiccia, ma piuttosto improbabile.