L’ultima osservazione di LIGO impone un radicale ripensamento delle ipotesi sulle coppie di stelle di neutroni
Abbiamo una popolazione di stelle pulsar che vediamo e tutti i modelli binari di popolazione hanno lo scopo di spiegare quella popolazione. All'improvviso LIGO afferma che la popolazione non è rappresentativa della popolazione di coppie di stelle di neutroni.
L’estate scorsa, il rilevatore di onde gravitazionali LIGO ha visto per la seconda volta in assoluto la fusione di due stelle di neutroni. La collisione di questi oggetti incredibilmente densi – giganteschi nuclei residui da antiche esplosioni di supernova – ha generato increspature nello spazio-tempo abbastanza potenti da poter essere rilevati qui sulla Terra.
A differenza della prima fusione, conforme alle aspettative, quest’ultimo evento ha costretto gli astrofisici a ripensare alcune ipotesi di base su ciò che si nasconde là fuori nell’universo. “Abbiamo un dilemma“, ha detto Enrico Ramirez-Ruiz dell’Università della California.
La massa eccezionalmente elevata del sistema a due stelle è stata la prima indicazione che l’osservazione di questa collisione non ha avuto precedenti. La massa delle due stelle coinvolte da sola potrebbe lasciare intendere possibili sorprese future.
In un articolo recentemente pubblicato sul sito scientifico di prestampa arxiv.org, Ramirez-Ruiz e i suoi colleghi sostengono che GW190425, come è noto il sistema binario coinvolto, sfida tutto ciò che pensavamo di sapere sulle coppie di stelle di neutroni. Quest’ultima osservazione sembra fondamentalmente incompatibile con l’attuale comprensione degli scienziati su come si formano queste stelle e quanto spesso. Di conseguenza, i ricercatori potrebbero dover ripensare anni di conoscenze accettate.
Lontano ma ovunque
Prima del 2017, quando LIGO ha catturato la sua prima fusione di stelle di neutroni, tutto ciò che sapevamo delle stelle di neutroni proveniva dalle osservazioni di esemplari relativamente vicini nella nostra galassia della Via Lattea (Delle 2.500 o più conosciute stelle di neutroni, 18 coesistono in coppie orbitanti come stelle di neutroni binarie).
La prima cosa sorprendente è la massa: il nuovo sistema ha una massa totale di circa 3,4 volte il Sole. Tutti gli esempi precedentemente noti di stelle binarie di neutroni pesavano intorno a 2,6 il sole. La prima coppia di stelle binarie di neutroni osservate da LIGO aveva una massa che rientrava nelle misure attese.
Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine;
Ma l’alta massa combinata è solo il primo dei misteri della fusione di queste due stelle. Ancora più sconcertante è la presunta abbondanza di grandi stelle di neutroni: in base alla recente osservazione, gli scienziati di LIGO stimano che questi accoppiamenti pesanti dovrebbero essere comuni quasi quanto i sistemi di stelle binarie più leggeri che gli astronomi hanno studiato per decenni. Le grandi coppie di stelle di neutroni dovrebbero essere in tutto l’universo, inclusa la nostra Via Lattea. Perché, quindi, non sono mai stati individuati prima?
Una possibilità è che queste fusioni sono difficili da rilevare perché avvengono molto rapidamente.
Con un telescopio che può vedere solo la luce – vale a dire tutti i telescopi fino a quando è arrivato LIGO – bisognere guardare nel posto giusto al momento giusto. Un breve lampo da una coppia di stelle di neutroni potrebbe passare inosservato. “Se un tipo di binario si fonde molto rapidamente, statisticamente è molto improbabile che tu riesca a vederne uno proprio quando accade“, ha detto Salvatore Vitale, astrofisico del Massachusetts Institute of Technology che fa parte della collaborazione LIGO.
LIGO ha cambiato le carte in tavola. È un rilevatore di onde gravitazionali omnidirezionali che monitora l’intero cielo. Vitale e il resto del team credono di essersi imbattuti in qualcosa di praticamente invisibile prima dell’avvento dell’astronomia delle onde gravitazionali.
Il problema più significativo di questa sovrabbondanza nascosta di gigantesche stelle di neutroni, tuttavia, è che non si capisce perché dovrebbero essercene così tante.
In pratica, se ci sono tante coppie di stelle di neutroni massicce quante ce ne sono di più leggere, allora dovremmo aspettarci di trovare tante stelle pesanti (che le creano) quante stelle più leggere. Ma non è così: gli astronomi stimano che meno del 10% di tutte le stelle sia abbastanza grande da produrre stelle di neutroni così massicce. “Abbiamo prove confuse provenienti da metodi molto diversi“, ha detto Ramirez-Ruiz.
E le domande non finiscono qui. Le migliori simulazioni al computer esistenti dell’evoluzione stellare, semplicemente non possono tenere conto dell’abbondanza stimata di queste coppie di stelle insolitamente pesanti perché nessuno, fino ad ora, pensava potessero essercene così tante.
Gli scienziati usano spesso simulazioni al computer per modellare processi complicati per lunghi periodi di tempo. In questo caso, gli autori hanno modellato il ciclo di vita di oggetti stellari compatti per miliardi di anni. “Inserisci un gruppo di stelle e dici al codice come esplodono le stelle“, ha detto Vitale. Quindi “lo lasci calcolare cosa accadrebbe in qualche milione o miliardi di anni e vedi qual è il risultato“.
Per fornire una fedele simulazione dell’universo, il codice considera gli effetti della relatività, del magnetismo, delle radiazioni gravitazionali e molto altro. Fa anche ipotesi su dettagli che non sono completamente compresi, come la quantità di gas che ricade in una stella dopo l’esplosione di una supernova rispetto a quanto viene perso nello spazio. Queste ipotesi offrono ai ricercatori una vasta gamma di possibili input che possono essere inseriti nel codice rimanendo comunque entro i limiti della plausibilità fisica.
Tuttavia, indipendentemente dagli input inseriti nella simulazione, il risultato non si è in alcun modo avvicinato al numero di coppie di stelle di neutroni pesanti previste da LIGO. “Se questa è una stella binaria di neutroni, dovrà fornirci risposte a molte domande”, ha commentato Mohammad Safarzadeh, un astrofisico di Santa Cruz che ha guidato la ricerca. Come lui e i suoi colleghi hanno scritto nel loro articolo, un tasso di fusione così elevato richiede un “cambiamento radicale nella nostra comprensione dell’esplosione di supernova“.
I ricercatori avvertono, tuttavia, che le simulazioni sulle supernovae sono notoriamente complesse e difficili. I modelli che li guidano sono noti per essere “estremamente approssimativi“, secondo Safarzadeh, “e dire estremamente approssimativi è generoso“. Vitale concorda: “È un problema molto, molto difficile da simulare“. Tuttavia, una così forte disparità tra teoria e prove è preoccupante. “È un invito all’azione“, ha detto Ramirez-Ruiz, “che dovrebbe spingere gli scienziati a ripensare il modo in cui queste stelle si formano“.
Molti aspetti dell’evoluzione delle stelle binarie sono poco compresi, incluso il modo in cui le stelle scambiano massa e si avvicinano abbastanza da fondersi. “Conosciamo molto sulla formazione stellare e sull’evoluzione, ma molta della fisica legata alla produzione di binari compatti è ancora poco conosciuta“, ha dichiarato Ben Farr, fisico dell’Università dell’Università dell’Oregon e membro della collaborazione LIGO.
Le scoperte riportate nel documento, quindi, stanno spingendo gli astrofisici a riesaminare ciò che pensavano di sapere sulle stelle di neutroni.
Fonte: Quanta Magazine
