Onde gravitazionali: osservata la prima fusione tra un buco nero e una stella di neutroni

Un nuovo importante tassello della comprensione dell’universo estremo è stato aggiunto dalla ricerca sulle onde gravitazionali. Le collaborazioni scientifiche Virgo – della quale fanno parte ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università di Genova e della sezione di Genova dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) – LIGO e KAGRA hanno infatti annunciato la prima rivelazione di due eventi di onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due sistemi binari misti composti da un buco nero e una stella di neutroni. Il risultato, pubblicato il 29 giugno sulla rivista The Astrophysical Journal Letters, fa riferimento a due segnali registrati nel gennaio 2020 e conferma l’esistenza di una classe di fenomeni previsti dagli astrofisici già da diversi decenni, ma fino a oggi mai osservati.

Il 5 gennaio 2020, il rivelatore Advanced LIGO di Livingston, Louisiana, negli Stati Uniti, e Advanced Virgo, l’interferometro italiano situato a Cascina, in provincia di Pisa, hanno osservato il primo evento. Solo dieci giorni più tardi, il 15 gennaio, una seconda onda gravitazionale, analoga alla prima, è stata rivelata da entrambi gli interferometri Advanced LIGO, e ancora una volta da Advanced Virgo. In entrambi i casi, la forma del segnale registrato ha reso possibile la sua attribuzione a un evento di coalescenza che ha coinvolto un buco nero e una stella di neutroni, i quali, al termine di un vorticoso balletto cosmico di avvicinamento che li ha visti ruotare l’uno intorno all’altro, si sono fusi in singolo corpo celeste estremamente compatto.

I segnali, denominati GW200105 e GW200115 – codici che identificano anno, mese e giorno dell’osservazione dell’onda gravitazionale (GW) – hanno fornito importanti informazioni sulle caratteristiche fisiche dei sistemi che li hanno emessi, come le masse delle sorgenti primarie e la distanza di queste ultime rispetto al nostro pianeta. Le analisi di GW200105 hanno infatti mostrato come le masse del buco nero e della stella di neutroni a esso associati fossero, rispettivamente, circa 8,9 e 1,9 volte quella del nostro Sole, consentendo inoltre di stabilire che la loro fusione è avvenuta 900 milioni di anni fa. Per quanto riguarda il secondo segnale, gli scienziati delle collaborazioni Virgo e LIGO hanno invece stimato che GW200115 sia stato prodotto da due corpi celesti di quasi 5,7 (buco nero) e 1,5 (stella di neutroni) masse solari, entrati in collisione circa un miliardo di anni fa.

Oltre a fare luce su una classe di fenomeni rari e offrire la possibilità di studiare le leggi fondamentali della fisica in contesti estremi non riproducibili sulla Terra, il risultato delle collaborazioni Virgo, LIGO e KAGRA apre la strada verso la comprensione dei meccanismi responsabili dei fenomeni di fusione di sistemi binari misti.

Questa scoperta, insieme alle altre impressionanti conquiste scientifiche di Advanced Virgo, in Europa, e Advanced LIGO, negli Stati Uniti, hanno dato inizio nell’ultimo quinquennio all’era dell’astronomia gravitazionale. Per sfruttare appieno il potenziale di questo nuovo modo di osservazione dell’Universo, è necessario costruire una nuova generazione di osservatori. Einstein Telescope (ET) è un ambizioso progetto per la realizzazione di un futuro osservatorio terrestre per le onde gravitazionali: un osservatorio pionieristico di terza generazione in grado di rivelare onde gravitazionali con una sensibilità che consentirà di esplorare una porzione di Universo di gran lunga maggiore rispetto a ora.

L’Italia attraverso il MUR Ministero dell’Università e della Ricerca ha candidato Einstein Telescope per la Roadmap 2021 della European Strategy Forum on Research Infrastructure (ESFRI), il forum strategico europeo che individua le grandi infrastrutture di ricerca su cui investire a livello europeo. Dopo un lungo e accurato processo di valutazione dei progetti candidati, il 30 giugno, l’Assemblea di ESFRI ha approvato ET, che entra in questo modo nel novero delle grandi infrastrutture di ricerca su cui l’Europa punterà nel prossimo futuro.

Il consorzio internazionale, a guida italiana, promotore del progetto ET vede un’importante partecipazione di ricercatori della sezione di Genova dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e del Dipartimento di Fisica dell’Università di Genova, con Gianluca Gemme, Dirigente di Ricerca dell’INFN, alla guida del gruppo di lavoro incaricato della stesura del progetto tecnico-scientifico che servirà da base per la realizzazione del progetto.

^{Immagine di copertina: rappresentazione artistica ispirata all'evento di fusione tra una stella di neutroni ed un buco nero. Credits: Carl Knox, OzGrav - Swinburne University.
Immagine Einstein Telescope (ET): rappresentazione artistica di Einstein Telescope. Credits: ET project.}