Astronomia, i buchi neri divorano stelle di neutroni: la prima prova dalle onde gravitazionali

Nell'eco di due catastrofi spaziali gli astrofisici hanno trovato prova dell'esistenza di coppie mai osservate finora: un buco nero e una stella di neutroni. Nel momento in cui il primo ha inghiottito la seconda. Il segnale, l'evidenza, è arrivata, sotto forma di increspatura dello spazio tempo, quando si sono avvicinati, orbitando sempre più velocemente uno attorno all'altra e infine si sono fusi in una deflagrazione tale da deformare la struttura stessa della realtà. Il sottile frastuono è stato "ascoltato" dai rilevatori di onde gravitazionali: i due osservatori americani Ligo e quello situato in Italia, a Cascina, Virgo.

È così si arricchisce il "bestiario" cosmico, una nuova tessera del mosaico che illustra le dinamiche dell'universo: "Non è solo la prima volta che un sistema binario misto buco nero-stella di neutroni viene rilevato grazie alle onde gravitazionali - spiega Michela Mapelli, professoressa all'Università degli Studi di Padova e associata dell'Istituto nazionale di Fisica nucleare (Infn) - ma un sistema simile non era mai stato osservato nemmeno con le onde elettromagnetiche. Nonostante i radioastronomi le abbiano cercate per molti anni".

Questa è quindi la conferma che i sistemi binari misti buco nero-stella di neutroni si trovano davvero in natura. Significativo il fatto che siano stati osservati non solo uno, ma due eventi riferiti a due coppie differenti. I risultati dello studio, frutto delle collaborazioni scientifiche Virgo, a cui partecipa l'Infn (Istituto nazionale di fisica nucleare), diversi istituti e università, italiane ed europee, Ligo, e Kagra (in Giappone) sono pubblicati sulla rivista The Astrophysical Journal Letters.

"Questa scoperta è un'altra gemma nel tesoro rappresentato dalla terza serie di osservazioni condotte da Ligo-Virgo - afferma Giovanni Losurdo, coordinatore internazionale di Virgo e ricercatore dell'Infn - gli osservatori gravitazionali continuano a svelare eventi catastrofici mai osservati finora, contribuendo a far luce su un paesaggio cosmico finora inesplorato. Ora stiamo aggiornando i rivelatori con l'obiettivo di guardare ancora più lontano nel cosmo, per una comprensione più profonda dell'universo in cui viviamo".

Le strane coppie

Il primo evento, registrato il 5 gennaio 2020, è quello che ha offerto evidenze più solide. È avvenuto a circa 900 milioni di anni luce da noi, ha coinvolto un buco nero che aveva quasi nove volte la massa del Sole e una stella di neutroni con massa pari a circa due volte quella del nostro astro. L'altro (del 15 gennaio) è stata una fusione avvenuta a un miliardo di anni luce da noi, tra un buco nero di 5,7 masse solari e una stella di neutroni di 1,5. "Le stelle di neutroni si originano alla fine della vita di una stella di massa intermedia, da otto a 20 volte quella del Sole - specifica Mapelli - una stella più massiccia, invece, collassa in un buco nero".

La forma del segnale captato dagli interferometri ha permesso di stabilire la massa dei quattro oggetti compatti, ma non racconta com'è iniziato questo girotondo, come si sono venuti a trovare in orbita uno attorno all'altra. Uno scenario possibile è quello che siano, per così dire, "nati" insieme. Dalla formazione di un sistema di due stelle con massa sufficiente a formare un buco nero e una stella di neutroni, un'evoluzione 'isolata'.

L'altro scenario è quello di una cattura dinamica: i due oggetti compatti si sarebbero ritrovati a fare parte dello stesso sistema binario dopo un'interazione gravitazionale ravvicinata in regioni affollate da tantissime stelle. Su questo gli scienziati ancora fanno ipotesi, aiutati dai modelli statistici: "Sono stati versati fiumi di inchiostro sulla possibilità che questi sistemi esistessero, che fossero più o meno frequenti. Ora che ne abbiamo visti due conosciamo il loro merger rate, cioè il loro tasso di coalescenza - continua l'astrofisica - e da questo possiamo stimare che la frequenza di formazione di questi sistemi è abbastanza alta. Ma rapporti di massa come questi possono essere formati sia da un'evoluzione cosiddetta isolata, che da tutti gli scenari di cattura, che si riferiscono a quattro tipi di ambiente: ammassi globulari di stelle molto antiche, molto densi e con catture molto 'efficienti', che però sono molto rari; ammassi aperti, giovani, meno massicci ma molto più comuni nell'universo; ammassi nucleari, che si trovano al centro di alcune galassie; e dischi di gas che orbitano attorno ai buchi neri supermassicci. I più favoriti sono gli ammassi giovani, perché anche se le catture sono meno frequenti, in un ambiente meno affollato, se ne trovano molti di più nell'Universo".

Inghiottite dal buco nero

Come sempre accade, quando le onde gravitazionali indicano che la fusione potrebbe aver coinvolto almeno una stella di neutroni, si va a caccia della luce. I telescopi scandagliano la parte di cielo dalla quale proviene il segnale, nella speranza di catturare un lampo, l'ultimo bagliore di un astro che si annichilisce oltre l'orizzonte degli eventi del buco nero compagno. Finora è successo solamente una volta, e da quell'evento è nata una nuova 'disciplina', l'astronomia multimessaggera, che studia cioè i fenomeni dell'Universo attraverso diversi segnali, messaggi come i fotoni della luce, i neutrini e le onde gravitazionali.

Anche questa volta, il cielo si è fatto "udire", ma è rimasto "buio": "C'è stato il cosiddetto follow up elettromagnetico - conclude Mapelli - ma il rapporto segnale rumore era relativamente basso, i due eventi erano piuttosto distanti e l'area di cielo in cui erano localizzati troppo vasta". Secondo gli scienziati, la grande differenza tra le masse potrebbe inoltre consentire ai buchi neri, più pesanti, di catturare interamente le stelle di neutroni senza dare loro la possibilità di disgregarsi emettendo radiazione elettromagnetica. Divorate in un sol boccone.