Onde gravitazionali, il segnale rilevato a 520 milioni di anni luce potrebbe svelare due diversi tipi di fusione di stelle di neutroni?

Le collaborazioni scientifiche LIGO e Virgo hanno riportato che il 25 aprile 2019 sono state rilevate onde gravitazionali dalla fusione di due oggetti compatti. Il segnale è stato chiamato GW190425. LIGO comprende due rilevatori di onde gravitazionali, uno ad Hanford (Washington) e l’altro a Livingston (Louisiana). Nel momento di GW190425, il rilevatore LIGO di Hanford era temporaneamente offline, ma il forte segnale è stato rilevato dal rilevatore di Livingston. Anche il rilevatore di Virgo a Cascina (Italia) stava raccogliendo dati, tuttavia, a causa della sua minore sensibilità rispetto a LIGO e in particolare perché la fonte di GW190425 era probabilmente in un’area del cielo meno visibile per Virgo, il segnale era sopra la soglia di rilevamento solo a Livingston.

I dati Virgo, tuttavia, si legge sul sito di Ligo, sono stati utili per aiutare a comprendere i parametri della sorgente di GW190425. Gli esperti hanno trovato una massa totale di questo sistema binario tra 3,3 e 3,7 volte la massa del sole. Considerando questo range, la spiegazione più plausibile è che due stelle di neutroni siano entrate in collisione a circa 520 milioni di anni luce di distanza. La massa di questo sistema binario è notevolmente più grande di qualsiasi altro sistema binario di stelle di neutroni conosciuto. GW190425 è probabilmente la seconda osservazione di una fusione di stelle di neutroni con onde gravitazionali da parte di LIGO. Finora, non è stata identificata la controparte elettromagnetica associata al segnale ma questa non è una sorpresa, considerando che la fonte è molto più distante rispetto a GW170817 (il segnale rilevato nel 2017) e il segnale elettromagnetico sarebbe più debole. Ma forse il più grande fattore è perché GW190425 non è stato ben localizzato. Infatti, la sua fonte è stata localizzata in un’area che copre circa il 16% di tutto il cielo, ossia un’area enorme per i telescopi convenzionali.

Perché GW190425 è così interessante?

Le collaborazioni scientifiche LIGO e Virgo hanno scoperto che la massa del più pesante dei due oggetti compatti è tra 1,61 e 2,52 volte la massa del sole e la massa del secondo oggetto è tra 1,12 e 1,68 volte la massa del sole. Queste masse sono compatibili con le masse misurate da altre stelle di neutroni ma anche con quello che potremmo aspettarci dalle simulazioni dell’esplosione di supernove. La stella di neutroni più pesante conosciuta dalle osservazioni elettromagnetiche ha una massa di 2,05-2,24 volte la massa del sole. Per GW190425, gli esperti non possono escludere che uno o entrambi gli oggetti siano buchi neri, anche se l’interpretazione più diretta è che si tratti di stelle di neutroni.

Gli esperti hanno scoperto che GW190425 non è come altri sistemi di stelle di neutroni binari nella nostra galassia. Mentre la massa di ogni stella di neutroni è simile a quelle già conosciute, la massa totale è differente. Gli esperti hanno scoperto che la massa binaria galattica media è di circa 2,69 volte la massa del sole, mentre la massa di GW190425 è circa 3,4 volte la massa del sole, che suggerisce che il segnale si sia formato in maniera differente rispetto ai sistemi binari Galattici conosciuti.

L’evento del 2017, in cui due stelle di neutroni si sono fuse, sembrava mostrare le prove della formazione di una stella di neutroni in rapida rotazione per qualche centinaio di millisecondi, prima che l’intero sistema collassasse in un buco nero. L’evento del 2019, tuttavia, è stato ben oltre il limite di massa in cui teoricamente sono consentite le stelle di neutroni. Ad una massa combinata di 3,4 volte la massa solare, questa fusione di stelle di neutroni avrebbe dovuto formare direttamente un buco nero. Questo significa che ci sono delle differenze fondamentali tra i tipi di fusioni di stelle di neutroni che si verificano con masse combinate basse, in cui è possibile formare una stella di neutroni nell’immediato, e le fusioni di stelle di neutroni più pesanti che portano direttamente ai buchi neri? L’idea sembra essere supportata dal fatto che né la collaborazione Fermi della NASA, né la collaborazione INTEGRAL dell’ESA hanno visto un segnale di raggi gamma, il tipo di segnale che sarebbe dovuto arrivare entro pochi secondi dall’apparizione della fusione nei rilevatori di onde gravitazionali.

La mancanza di un simile segnale sembra suggerire qualcosa di importante. Forse le fusioni di stelle di neutroni dalla massa minore producono raggi gamma, ejecta, gli elementi più pesanti dell’universo, e un bagliore di lunga durata a lunghezza d’onda multipla. E forse, oltre una certa soglia di massa, le fusioni di stelle neutroni dalla massa più alta interagiscono semplicemente e creano direttamente un buco nero, che ingoia tutta la materia associata ad entrambe le stelle, senza produrre elementi pesanti e senza emettere ulteriori segnali osservabili. Tuttavia, è possibile che ci sia stata una controparte elettromagnetica che semplicemente noi non siamo stati in grado di vedere.

È anche possibile che le fusioni di stelle di neutroni binarie che portano direttamente ad un buco nero non producano segnali elettromagnetici o elementi pesanti e che il sistema binario di stelle di neutroni, il più massivo mai scoperto finora, rappresenti una classe totalmente differente di oggetti che non sono mai stati visti prima. Questa incredibile idea dovrà essere messa alla prova nei prossimi anni, con i rilevatori di onde gravitazionali che continueranno a trovare un numero sempre maggiore di fusioni.