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Caccia aperta alle onde gravitazionali
Se da un lato il bosone di Higgs ha rappresentato per molto tempo il “ricercato” numero uno da parte dei fisici delle particelle, motivo per cui il grande collisore adronico LHC è stato costruito, dall’altro la ricerca delle onde gravitazionali costituisce uno degli obiettivi prioritari a cui gli astronomi si stanno dedicando da qualche tempo. Continua a leggere Caccia aperta alle onde gravitazionali
Una strana coppia stellare ‘promuove’ Einstein
Un gruppo di astronomi hanno utilizzato il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO, insieme a radio telescopi di tutto il mondo, per trovare e studiare una coppia peculiare formata dalla stella di neutroni più massiccia finora conosciuta intorno a cui orbita una nana bianca. Questo strano sistema binario permette di eseguire una serie di test per verificare la relatività generale. Per il momento, le osservazioni sono perfettamente in accordo con le previsioni della teoria di Einstein, mentre non sono consistenti con alcune teorie alternative.
La stella di neutroni, piccola ma particolarmente pesante, ruota su se stessa 25 volte ogni secondo, mentre il periodo di rivoluzione della nana bianca è di due ore e mezza. La stella di neutroni è una pulsar che emette onde radio che possono essere intercettate dai radiotelescopi sulla Terra. Si tratta di una coppia molto interessante di per sè e rappresenta anche una sorta di laboratorio unico per verificare i limiti delle teorie fisiche. La pulsar, denominata con la sigla PSR J0348+0432, è il resto di supernova. È due volte più pesante del Sole, ma è grande solo 20 chilometri. La forza di gravità sulla sua superficie è più di 300 miliardi di volte maggiore di quella terrestre. La compagna nana bianca è leggermente meno esotica: è il resto incandescente di una stella più leggera che ha perso la propria atmosfera e ora si sta lentamente raffreddando. La teoria della relatività generale di Einstein, che spiega la forza di gravità come una conseguenza della curvatura dello spaziotempo dovuta alla presenza di massa ed energia, ha superato tutti i controlli fin dall’epoca della sua pubblicazione, circa un centinaio di anni fa. Ma non può essere la spiegazione finale e alla fine dovrà essere, forse, modificata. I fisici hanno escogitato altre teorie delle gravità che danno previsioni diverse da quelle della relatività generale. Per alcune di queste, la differenza si manifesta attraverso la presenza di campi gravitazionali molto forti che non si trovano all’interno del Sistema Solare. In termini della gravità, PSR J0348+0432 è un oggetto realmente estremo, anche rispetto alle altre pulsar che sono state usate nei test ad alta precisione della relatività generale di Einstein. In questi campi gravitazionali così intensi, piccole variazioni di massa possono portare a grandi cambiamenti dello spaziotempo intorno all’oggetto. Fino ad ora gli astronomi non avevano idea di ciò che sarebbe potuto accadere in presenza di una stella di neutroni così massiccia come PSR J0348+0432 che offre perciò l’opportunità unica di spingere queste verifiche verso nuovi territori dell’astrofisica stellare. Gli scienziati hanno combinato le osservazioni della nana bianca ottenute con il VLT (Very Large Telescope) con una scala temporale molto precisa relativa alle oscillazioni della pulsar che sono state misurate dai radiotelescopi. Un binaria così stretta emette onde gravitazionali e perde di conseguenza energia. Ciò modifica leggermente il periodo orbitale, ma le previsioni della relatività generale e delle altre teorie danno indicazioni diverse sul processo relativo a questa variazione di periodo. Gli astronomi sono stati in grado di misurare una variazione del periodo orbitale di 8 milionesimi di secondo all’anno, esattamente quanto previsto dalla teoria di Einstein. Insomma, si tratta solo dell’inizio di una serie di studi dettagliati di questo oggetto unico e gli astronomi lo utilizzeranno ancora per verificare le previsioni della relatività generale con una precisione sempre maggiore.
ESO: Record-breaking pulsar takes tests of general relativity into new territory
arXiv: A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary
Una ‘danza stellare’ a ritmo elevato
Il telescopio spaziale XMM-Newton ha permesso recentemente di identificare una coppia stellare, cioè una stella e un buco nero che orbitano l’una attorno all’altro ogni 2,4 ore, un record che si abbassa di quasi un’ora.
Il buco nero, noto con la sigla MAXI J1659-152, è almeno tre volte più grosso del Sole in termini di massa mentre la sua compagna, una nana rossa, ha una massa di appena il 20% equivalente a quella solare. La distanza che li separa è di circa un milione di chilometri. La scoperta di questo sistema stellare ‘stretto’ risale al 25 Settembre del 2010 quando il satellite Swift identificò dei segnali che inizialmente sembrava fossero associati ad un gamma-ray burst. Qualche giorno dopo, il telescopio giapponese MAXI situato presso la Stazione Spaziale Internazionale trovò nella stessa posizione una sorgente brillante di raggi-X. Successive osservazioni sia da terra che dallo spazio hanno poi permesso di capire il fatto che i raggi-X provenissero da un buco nero che sta attirando la materia dalla stella compagna. Questo processo dà luogo alla formazione di un disco di accrescimento attorno al buco nero da cui è stato ricavato un periodo orbitale del sistema pari ad appena 2,4 ore. Il record precedente era stato mantenuto da un’altra sorgente di alta energia identificata da Swift e denominata con la sigla Swift J1753.5–0127 il cui periodo orbitale è di 3,2 ore. Il buco nero e la stella orbitano attorno al comune centro di massa e dato che la stella è molto più leggera essa tende ad allontanarsi da questo punto e a percorrere l’orbita alla fantastica velocità di 2 milioni di chilometri all’ora, quasi 20 volte più veloce della velocità orbitale della Terra e la più alta finora misurata in un sistema binario che emette raggi-X, mentre la velocità orbitale del buco nero è di circa 150 mila chilometri all’ora. Il sistema binario si trova al di sopra del piano galattico e si ritiene che faccia parte, assieme ad altri due casi, di una nuova classe di sistemi binari, cioè oggetti che sarebbero stati espulsi dal piano della nostra galassia forse durante la formazione dello stesso buco nero.
ESA: Black hole- star pair orbiting at dizzying speed arXiv: MAXI J1659-152: The shortest orbital period black-hole transient in outburst
Un sistema stellare della categoria ‘super massimi’
Pismis 24 è un ammasso stellare aperto che si trova a circa 8.000 anni-luce nel cuore della nebulosa NGC 6357, nella costellazione dello Scorpione. L’oggetto più luminoso al centro della foto è Pismis 24-1 che, fino a poco tempo fa, si pensava avesse una massa pari ad almeno 200-300 masse solari, facendone la stella più massiccia della Via Lattea. Tuttavia, le immagini ad alta risoluzione del telescopio spaziale Hubble mostrano che Pismis 24-1 è composta di due stelle che orbitano l’una attorno all’altra e la cui massa viene stimata essere di circa 100 volte la massa del Sole. In più, le osservazioni spettroscopiche eseguite con i telescopi a terra mostrano che una delle due stelle è in realtà una binaria stretta, difficile da essere separata persino dall’HST. Insomma, Pismis 24-1 è di fatto un sistema stellare triplo le cui componenti sono tra le stelle più massicce che conosciamo nella Galassia e che, comunque, non superano individualmente il limite di 150 masse solari.
Sistemi binari compatti e l’emissione di onde gravitazionali
Credit: Stephan Rosswog ed Enrico Ramirez-Ruiz
L’evento finale che porta, con una violenta esplosione, una coppia di stelle di neutroni alla loro fusione (merging), può rappresentare un meccanismo efficiente per produrre onde gravitazionali che siano rivelabili dagli strumenti a terra. Uno studio recente ad opera di alcuni ricercatori dell’Università della California, a Santa Cruz, permette, per la prima volta, di fare delle previsioni su dove potrà accadere con maggiore probabilità questo fenomeno dimerging nella nostra Galassia.
Secondo Enrico Ramirez-Ruiz, professore associato di astronomia e astrofisica presso la UC a Santa Cruz, questi dati sono importanti perché forniscono delle informazioni vitali per i ricercatori che studiano le onde gravitazionali con i rivelatori quali LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory). Una delle previsioni più significative della teoria della relatività generale di Einstein è la formazione di “distorsioni” o “increspature” nello spaziotempo dovute al moto di oggetti dotati di grande massa, come ad esempio le stelle. Gli scienziati devono ancora rivelare direttamente le onde gravitazionali dato che esse sono estremamente deboli. Tuttavia, la costruzione di un apparato più avanzato, chiamato Advanced LIGO, dovrebbe fornire una maggiore sensibilità allo strumento per la rivelazione delle onde gravitazionali. I sistemi stellari binari compatti, di solito caratterizzati da due stelle di neutroni, o da due buchi neri, o da una stella di neutroni e da un buco nero, rappresentano i migliori candidati per studiare l’emissione di onde gravitazionali. In questi particolari sistemi stellari, i due oggetti non solo si muovono in orbita l’uno attorno all’altro, ma si spostano nello spazio con una velocità tipica dell’ordine di 200 Km/sec. La velocità di “spinta” che manda “fuori” dalle proprie galassie i sistemi binari, e perciò li rende maggiormente identificabili, deriva da una leggera asimmetria che si produce durante le esplosioni di supernova che danno luogo alla formazione di stelle di neutroni o buchi neri. Si calcola che l’1% dell’effetto dell’asimmetria durante le esplosioni di supernovae si trasforma in velocità di rinculo che ha un valore caratteristico equivalente di circa 1000 Km/sec, valore che rappresenta la massima velocità osservata per stelle di neutroni isolate. Nei sistemi binari, invece, la velocità netta di spinta è molto inferiore, e ancora incerta, ma rimane dell’ordine di 200 Km/sec. Questi studi serviranno per individuare la presenza di sistemi binari che stanno per fondersi e dar luogo all’emissione di onde gravitazionali e che potranno essere osservati dai telescopi che scrutano ampie regioni di cielo, come il Large Synoptic Survey Telescope (LSST).
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