L’astronomia multi-messenger

Il 24 febbraio 1987, un segnale spettacolare colpì l’attenzione degli astronomi come mai prima. Da una distanza di 165.000 anni luce, i primi segnali di una stella recentemente esplosa – una supernova a collasso centrale – arrivarono sulla Terra.

Gli umani avevano già assistito a supernovae, sia all’interno della Via Lattea che in galassie oltre la nostra, ma questa era speciale. Il primo segno del suo arrivo non fu colto come un’immagine, ma tramite un segnale mai misurato prima: sotto forma di neutrini.

Fu solo dopo alcune ore che arrivò la luce, corrispondente al tempo in più impiegato dall’onda d’urto verificatasi all’interno della stella per raggiungere la superficie. Mentre la luce interagisce con il materiale che compone la stella progenitrice, i neutrini passano semplicemente attraverso di essa, dando loro un significativo vantaggio.

Per la prima volta, un evento astronomico avvenuto oltre il nostro Sistema Solare aveva emesso luce e particelle osservate sulla Terra.

Era nata l’era dell’Astronomia Multi-Messenger.

Sebbene sia ancora un termine con cui pochi non astronomi hanno familiarità, è davvero il futuro dello studio dell’Universo.

In origine, l’astronomia era limitata ai segnali in forma di luce visibile. Per innumerevoli millenni, gli occhi umani hanno visto il Sole, la Luna, i pianeti, le stelle e le nebulose distanti che ora sappiamo essere galassie.

Anche dopo l’invenzione del telescopio, l’astronomia era ancora limitata a ciò che potevamo percepire nella luce visibile. Tutto ciò che il telescopio ha fatto, essenzialmente, è stato quello di migliorare il nostro potere di raccolta della luce usando specchi e / o lenti per aumentare l’area di raccolta della luce ben oltre i limiti anche della pupilla più accuratamente dilatata. Invece di migliaia di stelle, questi strumenti ne rivelano centinaia di migliaia, milioni e alla fine miliardi.

All’inizio, si potevano distinguere i colori solo degli oggetti più vicini e luminosi; gli altri erano così lontani che erano percepibili solo segnali monocromatici. Quando le tecniche fotografiche divennero disponibili e furono applicate all’astronomia, tuttavia, divenne possibile posizionare un filtro colorato sul telescopio, registrando solo la luce di una particolare lunghezza d’onda.

Quando venivano campionate più lunghezze d’onda diverse contemporaneamente o in rapida successione, i dati raccolti poterono essere combinati per formare una singola immagine a colori. Questa tecnica è stata originariamente applicata alle immagini terrestri, ma fu estesa all’astronomia in breve tempo, consentendo agli scienziati di produrre immagini a colori degli oggetti del cielo notturno. Ancora oggi, il campo dell’astrofotografia è apprezzato non solo dai professionisti, ma da decine di migliaia di dilettanti e hobbisti di tutto il mondo.

Tuttavia, queste tecnologie sfruttano solo la parte più piccola dello spettro elettromagnetico: la luce visibile.

In realtà, ci sono molte forme di luce che sono sia più alte di energia (e più brevi di lunghezza d’onda) sia più basse di energia (con lunghezze d’onda più lunghe) che possono essere percepite e misurate dal giusto tipo di telescopio.

Oggi, sfruttiamo tutte le diverse forme di luce che esistono per studiare gli oggetti presenti nell’Universo.

• I raggi gamma e i raggi X rivelano oggetti ad alta energia come pulsar, buchi neri ed eventi transitori di “scoppio”,
• la luce ultravioletta, visibile e nel vicino infrarosso rivela stelle e materiale che forma le stelle,
• la luce a infrarossi medi e infrarossi lontani mostra la presenza di gas e polvere più freddi,
• mentre la luce a microonde e radio rivela getti di particelle, emissioni di fondo diffuse e dettagli nei singoli dischi protoplanetari.

Ogni volta che guardiamo un oggetto in una diversa lunghezza d’onda della luce, abbiamo il potenziale per rivelare una classe di informazioni completamente nuova su di esso.

Anche se abbiamo nomi diversi per questi vari tipi di osservazione astronomica, alcuni di quelli che osserviamo sono raggi (raggi gamma e raggi X), alcuni sono luce (ultravioletti e visibili), alcuni sono radiazioni (infrarossi) e alcuni sono onde (radio), Dal punto di vista della fisica, stiamo raccogliendo la stessa cosa: fotoni o quanti di luce.

In altre parole, fare astronomia raccogliendo luce di qualsiasi tipo implica sempre lo stesso tipo di messaggero: lo stesso tipo di portatore di informazioni.

Tuttavia, ci sono anche altre forme di astronomia, perché gli oggetti nell’Universo non emettono solo luce. Man mano che subiscono tutti i vari processi astrofisici consentiti dall’Universo, possono emettere una grande varietà di classi di segnale, con messaggeri fondamentalmente diversi.

Numerose classi di oggetti non solo emettono luce, ma anche particelle. Da tutto il cielo, compreso il Sole, rileviamo una grande varietà di particelle di raggi cosmici, tra cui:

• elettroni,
• positroni (la controparte antimateria degli elettroni),
• protoni,
• anti-protoni,
• neutrini e anti-neutrini,
• e persino nuclei atomici complessi, più pesanti, dall’elio fino al ferro.

Questo tipo di particelle le abbiamo cominciate a cogliere dall’interno del Sistema Solare. Il sole emette un’ampia varietà di raggi cosmici. E recentemente, con osservatori sofisticati come Kamiokande (e suoi successori) e IceCube, stiamo rilevando neutrini sia solari che cosmici.

La luce e le particelle sono tipi di “messaggero” completamente indipendenti in astronomia, in quanto richiedono tecniche, attrezzature e interpretazioni fondamentalmente diverse per dare un senso all’Universo. Ma gli anni 2010 ci hanno portato qualcosa di ancora più straordinario: un terzo tipo di messaggero fondamentale. Il 14 settembre 2015 riuscimmo a rilevare un segnale di nuovo tipo: sotto forma di onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali sono l’unico segnale mai rilevato direttamente a cui non è associato alcun tipo di particella del Modello Standard conosciuta.

Vengono generate ogni volta che una massa accelera attraverso una regione di spazio che modificandone la curvatura, ma sono solo i segnali più forti e di ampiezza maggiore di una frequenza specifica che siamo in grado di rilevare. Utilizzando un grande interferometro laser straordinariamente preciso, gli scienziati sono in grado di rilevare le onde gravitazionali che corrispondono a un cambiamento di quelle lunghezze non superiori a 10^-19 metri: circa 1 / 10.000 della larghezza di un protone.

Con tre tipi di astronomia fondamentalmente diversi, abbiamo guadagnato nuove finestre sull’Universo e nuovi metodi per ottenere informazioni su tutto ciò che è là fuori. Luce, particelle e onde gravitazionali sono tipi di messaggeri intrinsecamente diversi per gli astronomi, con ogni classe di segnale che rivela informazioni sull’Universo che le altre due non possono.

Ma gli esempi più potenti di queste varie tecniche astronomiche si verificano quando siamo in grado di utilizzare più di una di esse contemporaneamente.

Quando gli astronomi usano il termine “Astronomia multi-messaggero“, questo è il concetto chiave a cui si riferiscono: rilevare lo stesso oggetto o evento con luce e particelle, onde luminose e gravitazionali, particelle e onde gravitazionali, o tutte e tre insieme. Man mano che le scienze dell’astronomia tradizionale (basata sulla luce), dell’astronomia delle onde gravitazionali e dell’astronomia dei raggi cosmici miglioreranno dal punto di vista tecnologico, questi eventi multi-messaggero riveleranno l’Universo come mai prima d’ora.

Nel 2017, gli astronomi delle onde gravitazionali hanno osservato un segnale diverso da qualsiasi altro, che si è concluso in corrispondenza della fusione di due stelle di neutroni a circa 130 milioni di anni luce di distanza.

Quasi contemporaneamente, solo due secondi dopo la cessazione del segnale dell’onda gravitazionale, arrivò il primo segnale elettromagnetico (sotto forma di raggi gamma). Il primo segnale multi-messaggero che coinvolge le onde gravitazionali era stato rilevato.

Quando si verificherà la prossima supernova nelle vicinanze, saremo sicuramente in grado di rilevare sia la luce che le particelle e potremmo anche ottenere anche onde gravitazionali.

In effetti, all’inizio dell’anno è stato rilevato un candidato per il primo segnale trifecta. Quando un glitch pulsar verrà rilevato da un rilevatore di onde gravitazionali, sarà un segnale multi-messaggero. E quando LISA, il nostro rivelatore di onde gravitazionali di prossima generazione sarà online, saremo in grado di prevedere queste fusioni cosmiche con largo anticipo, dandoci molto di tempo per fare osservazioni simultanee di un possibile multi-evento messaggero in quel momento critico, “t = 0”.

I tre tipi di segnali che sappiamo raccogliere dall’Universo, luce, particelle e onde gravitazionali, forniscono ognuno tipi di informazioni fondamentalmente diverse. Combinando le osservazioni più precise che possiamo prendere da ognuno di questi segnali, possiamo imparare di più sulla nostra storia cosmica di quanto ognuno di questi tipi di segnale, o “messaggeri“, possa fornire in modo isolato.

Sappiamo come i neutrini sono prodotti nelle supernovae e come il loro percorso di viaggio sia meno ostacolato dalla materia di quello della luce. Abbiamo già collegato la fusione di stelle di neutroni con kilonovae e la produzione degli elementi più pesanti dell’Universo. Con l’astronomia multi-messaggero ancora agli albori, possiamo aspettarci un diluvio di nuovi eventi e nuove scoperte mentre questa scienza crescerà nel corso del 21° secolo.

Proprio come è possibile saperne di più su una tigre ascoltando il suo ringhio, annusandone l’odore e guardandola cacciare piuttosto che da una fotografia, potremo imparare di più sull’Universo rilevando contemporaneamente questi tipi fondamentalmente diversi di messaggeri.

I nostri corpi potrebbero essere limitati in termini dei sensi che possiamo usare in ogni dato scenario, ma la nostra conoscenza dell’Universo è limitata solo dalla fisica fondamentale che lo governa.

Nella nostra ricerca della conoscenza, dobbiamo usare tutte le risorse che possiamo raccogliere.