Quando le stelle di neutroni si scontrano, rilasciano sia radiazioni elettromagnetiche che onde gravitazionali. Le osservazioni di questi segnali distinti dallo stesso evento, noto come astronomia multi-messaggero, possono essere utilizzate per studiare lo stato del materiale delle stelle di neutroni immensamente denso e il tasso di espansione dell'Universo
La costante di Hubble, che descrive la velocità con cui l’Universo si sta espandendo, secondo un nuovo studio, basato sulla combinazione di segnali provenienti da più osservazioni di stelle di neutroni, ha ora un nuovo valore.
Le stelle di neutroni sono i nuclei collassati di stelle massicce e hanno densità maggiori di un nucleo atomico. Tuttavia, si sa poco sulle proprietà della materia in tali condizioni, che non possono essere raggiunte nei laboratori qui sulla Terra. Per studiare la materia a questi estremi, i ricercatori si rivolgono alle collisioni cosmiche: fusioni di stelle di neutroni binarie.
Quando le stelle di neutroni si scontrano, rilasciano sia radiazioni elettromagnetiche che onde gravitazionali. Le osservazioni di questi segnali distinti dallo stesso evento, noto come astronomia multi-messaggero, possono essere utilizzate per studiare lo stato del materiale delle stelle di neutroni immensamente denso e il tasso di espansione dell’Universo.
Tim Dietrich e colleghi hanno sviluppato un quadro analitico che combina messaggeri da due fusioni di stelle di neutroni: l’evento di onde gravitazionali GW170817 e i suoi segnali elettromagnetici di accompagnamento e l’evento di sola onda gravitazionale GW1904215.
Combinando questi eventi con misurazioni elettromagnetiche indipendenti di stelle di neutroni isolate e calcoli tratti dalla teoria della fisica nucleare, Dietrich et al. hanno vincolato l’equazione di stato della stella di neutroni, che mette in relazione la massa e il raggio di ciascuna stella di neutroni. L’approccio fornisce anche una misura della costante di Hubble; il valore che hanno trovato è più coerente con le precedenti misurazioni del fondo cosmico a microonde.
La costante di Hubble ed il fondo cosmico a microonde
Il fondo cosmico a microonde (Cmb, dall’inglese cosmic microwave background) è una radiazione elettromagnetica che permea l’intero universo, proveniente dall’epoca della ricombinazione, quando i primi atomi poterono formarsi dal plasma primordiale e l’universo divenne trasparente alla luce.
Per dare un’idea di come il Cmb sia il fossile più antico che abbiamo a disposizione per studiare l’universo, si pensi che un fotone riflesso dalla superficie lunare impiega solo un secondo a raggiungerci, mentre il fotone debolmente polarizzato dalla ricombinazione impiega ben 13.8 miliardi di anni.
Il fondo cosmico a microonde per determinare la costante di Hubble
Il Cmb è stato al centro di svolte fondamentali nella cosmologia. La sua scoperta, avvenuta per caso da parte di due ricercatori dei Bell Laboratories nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson, e insignita del premio Nobel per la fisica nel 1978, confermò che l’universo si espanse raffreddandosi dal suo stato primordiale ad alta densità. All’inizio degli anni Novanta, grazie alle osservazioni del satellite Nasa Cobe, due ulteriori aspetti del Cmb furono compresi.
Furono scoperte anisotropie nel Cmb in una parte su 10mila, su scale angolari circa maggiori di circa 10 gradi, legate alle perturbazioni primordiali di densità che attraverso l’instabilità gravitazionale diedero origine alle strutture cosmiche che osserviamo. Lo spettro di corpo nero del Cmb fu accuratamente misurato, dimostrando l’equilibrio termico della radiazione con il plasma primordiale prima della ricombinazione. Per questi risultati ottenuti, John Mather e George Smoot ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 2006.
Negli ultimi 25 anni, numerosi strumenti da terra, da pallone – tra i quali Boomerang – e dallo spazio – come i satelliti Wmap e Planck – hanno misurato accuratamente le anisotropie del Cmb fino a scale angolari di qualche arcominuto, dandoci la determinazione attualmente più precisa, all’ordine del per cento, dei parametri cosmologici che caratterizzano i costituenti e l’evoluzione dell’universo.
Grazie a queste misure, sappiamo che il nostro universo è composto da materia ed energia oscura per un 95 per cento e da materia ordinaria per il restante 5 per cento, ha una geometria spaziale piatta ed è in accordo con le predizioni della teoria dell’inflazione, che descrive una fase di espansione accelerata in cui le perturbazioni primordiali di densità furono generate da fluttuazioni quantistiche.
Una combinazione di misurazioni astrofisiche ha consentito ai ricercatori di porre nuovi vincoli al raggio di una tipica stella di neutroni e di fornire un nuovo calcolo della costante di Hubble che indica la velocità con cui l’universo si sta espandendo.
“Abbiamo studiato segnali provenienti da varie fonti, ad esempio fusioni di stelle di neutroni osservate di recente“, ha detto Ingo Tews, un teorico del gruppo di fisica nucleare e delle particelle, astrofisica e cosmologia presso il Los Alamos National Laboratory, che ha lavorato con una collaborazione internazionale di ricercatori sull’analisi.
“Abbiamo analizzato congiuntamente i segnali delle onde gravitazionali e le emissioni elettromagnetiche delle fusioni e li abbiamo combinati con precedenti misurazioni di massa di pulsar o risultati recenti dalla composizione interna della stella di neutroni e abbiamo trovato che il raggio di una tipica stella di neutroni è di circa 11,75 chilometri e la costante di Hubble è di circa 66,2 chilometri al secondo per megaparsec“.
Il nuovo approccio alla misurazione della costante di Hubble contribuisce a un dibattito che è sorto da altre determinazioni concorrenti dell’espansione dell’universo.
Le misurazioni basate sulle osservazioni di stelle note come supernove sono attualmente in contrasto con quelle che provengono dall’osservazione del Cosmic Microwave Background (CMB), che è essenzialmente l’energia residua del Big Bang. Le incertezze nel nuovo calcolo della costante di attraverso l’astronomia multimessenger sono troppo grandi per risolvere definitivamente il disaccordo, ma la misurazione è leggermente più favorevole all’approccio CMB.
.Riferimento: “Multimessenger constraints on the neutron-star equation of state and the Hubble constant” di Tim Dietrich, Michael W. Coughlin, Peter TH Pang, Mattia Bulla, Jack Heinzel, Lina Issa, Ingo Tews e Sarah Antier, 18 dicembre 2020, Scienza . DOI: 10.1126 / science.abb4317
