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GW170817

segnale di onda gravitazionale misurato dai due interferometri LIGO e Virgo

GW170817 è stato un segnale di onda gravitazionale misurato dai due interferometri LIGO e Virgo il 17 agosto 2017. Per la prima volta è stata rilevata anche la radiazione elettromagnetica associata all'esplosione avvenuta durante il fenomeno che ha generato l'onda gravitazionale, ponendo una vera e propria pietra miliare nella storia dell'astronomia multi-messaggio (o "multi-messaggero").[1][2][3] Il segnale di onda gravitazionale, che ha avuto la durata di circa 100 secondi, ha segnato la prima rilevazione di un'onda gravitazionale generata durante la fusione di due stelle di neutroni ed era associato ad un breve e poco intenso lampo gamma, denominato GRB 170817A,[4][5] e ad un evento astronomico transiente, denominato SSS17a, osservati nella galassia NGC 4993.[6] Non sono però stati rilevati neutrini di alta energia emessi in coincidenza di GW170817 e nessun segnale impulsivo di neutrini da supernova è stato osservato in coincidenza con la fusione.[1][7]

GW170817
Segnale di onda gravitazionale
Il segnale di onda gravitazionale GW170817 misurato dai rilevatori LIGO e Virgo, rappresentato come una funzione della frequenza e del tempo. Il chirp prodotto dalla fusione delle stelle di neutroni è chiaramente visibile come una sottile linea che curva verso l'alto nei dati forniti dagli interferometri LIGO di Hanford e Livingston.
Scoperta
ScopritoreInterferometro VIRGO, LIGO
Data2017
Dati osservativi
Redshiftz=0.008
Caratteristiche fisiche
TipoSegnale di onda gravitazionale
Categoria di oggetti astronomici

Annuncio

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La rilevazione del segnale è stata ufficialmente annunciata il 16 ottobre 2017[4][5] durante due conferenze stampa tenute presso il National Press Club, a Washington D.C., e la sede dell'Osservatorio europeo australe (ESO) di Garching bei München, in Germania.[6]

La prima informazione pubblica riguardante l'evento è stata data il 28 agosto 2017, attraverso Twitter, dall'astronomo J. Craig Wheeler dell'Università del Texas a Austin. Egli aveva in seguito cancellato il suo messaggio, chiedendo scusa per non aver rispettato il normale protocollo di annuncio usato in questi casi, ma ormai la notizia era diventata di dominio pubblico, quantomeno nella comunità scientifica. Molte persone avevano infatti dato seguito a questa fuga di notizie, segnalando come i verbali di osservazione pubblici di molti telescopi riportassero un'interruzione nell'attività di osservazione programmata e un reindirizzamento volto all'osservazione della galassia NGC 4993, distante 40 megaparsec (130 milioni di anni luce), nella costellazione dell'Idra.[8][9] Lo staff del progetto di collaborazione tra i due interferometri LIGO e Virgo aveva però deciso di non commentare tali notizie, senza aggiungere nulla ad un precedente annuncio riguardante il fatto che ci fossero diverse possibili fonti di eventi sotto analisi.[10][11]

Rilevazione dell'onda gravitazionale

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Il segnale di onda gravitazionale è stato rilevato alle 12:41:04 UTC ed ha avuto una durata di circa 100 secondi, partendo da una frequenza di 24 Hz fino ad un massimo di poche centinaia di Hz (cicli al secondo), per un totale di circa 3.000 cicli. Il segnale è stato prima rilevato dall'interferometro italiano Virgo, 22 millisecondi dopo dall'osservatorio LIGO di Livingston, in Louisiana, e 3 millisecondi dopo dall'osservatorio LIGO di Hanford, nello Stato di Washington.[12] I tre rilevamenti hanno permesso di localizzare la sorgente in un'area di 28 gradi quadrati nel cielo australe con una probabilità del 90%.[1]

Osservazioni elettromagnetiche

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La galassia NGC 4993 e il lampo gamma GRB170817A fotografati da Hubble.

1,74 ± 0,05 secondi dopo l'evento di fusione delle due stelle di neutroni è stato osservato un lampo gamma corto, denominato GRB 170817A.[5][8] Il lampo gamma è stato rilevato sia dal Telescopio spaziale per raggi gamma Fermi che dal telescopio spaziale INTEGRAL, e l'intensità misurata è stata relativamente tenue, soprattutto se si considera la prossimità della galassia NGC 4993, a causa del fatto che i suoi getti relativistici non erano diretti verso la Terra ma inclinati rispetto ad essa di circa 30 gradi.[6][13]

La prima radiazione ottica associata con la collisione delle due stelle di neutroni è stata rilevata 10 ore e 52 minuti più tardi.[5][7][14] Tale rilevazione, denominata SSS17a, è stata fatta utilizzando il telescopio da un metro di diametro denominato Swope che opera nel vicino infrarosso e che è situato presso l'osservatorio di Las Campanas, in Cile. I membri del team Swope Supernova Survey hanno osservato diverse galassie nell'area prevista dalle osservazioni dell'onda gravitazionale e hanno identificato un solo nuovo evento astronomico transiente.[13][14] Scoprendo la galassia nella quale è avvenuta la collisione delle due stelle di neutroni, è stato possibile fornire una misura più accurata della distanza a cui è avvenuto l'evento rispetto a quella misurata solamente in base alle onde gravitazionali. Nel giro di un'ora dalla prima localizzazione, sono state effettuate osservazioni anche nell'infrarosso e nel campo del visibile.[14] Nel tempo è stato poi osservato come il colore della sorgente ottica cambiasse, passando da blu a rosso man mano che la sorgente si andava espandendo e raffreddando.[13]

Nove giorni dopo, la sorgente è stata osservata nei raggi X grazie al telescopio orbitale Chandra X-ray Observatory, mentre sedici giorni dopo, essa è stata osservata nelle onde radio grazie al raggruppamento di radiotelescopi Very Large Array.[6] In totale, oltre 70 osservatori operanti nello spettro elettromagnetico hanno osservato l'evento.[6]

Origine astrofisica

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Il segnale di onda gravitazionale ha indicato che l'evento che ha generato l'onda era associato con la collisione di due stelle di neutroni,[8][9][11][15] di cui la più grande (m1) si ritiene che avesse una massa compresa tra le 1,36 e le 2,26 masse solari, mentre la massa della più piccola si ritiene che fosse compresa tra 0,86 e 1,36 masse solari.[16] Se si assumono valori di rotazione stellare bassi, coerenti con quelli osservati in stelle di neutroni binarie che collideranno entro un tempo di Hubble, allora m1 dovrebbe aver avuto una massa compresa tra 1,36 e 1,60 masse solari, mentre quella di m2 dovrebbe essere stata compresa tra 1,17 e 1,36 masse solari.[1] La massa totale del sistema binario si stima che fosse all'incirca 2,82 masse solari[1] mentre il valore della massa di chirp si stima che fosse pari a 1,188 masse solari.[16]

Si ritiene che la fusione delle due stelle di neutroni sia stata seguita da una kilonova. Si stima che le kilonovae siano responsabili della produzione di metà del totale degli elementi chimici più pesanti del ferro presenti nell'Universo.[6] Durante quella che sarebbe seguita all'evento sopraccitato, si stima che si siano formati elementi pesanti per un totale pari a circa 16.000 volte la massa della Terra, inclusa una massa pari a 10 masse terrestri di oro e platino.[17]

Ad oggi non si conosce ancora quale oggetto sia stato prodotto dalla fusione. Potrebbe infatti trattarsi della più massiccia stella di neutroni mai conosciuta, o del meno massiccio buco nero mai conosciuto.[13] Studi[18] effettuati sui dati ottenuti dal telescopio a raggi X Chandra fanno stimare una massa dell'oggetto di circa 2,7 volte quella solare, rafforzando le supposizioni che possa trattarsi di una stella di neutroni estremamente compatta o uno dei buchi neri più piccoli ad oggi scoperti.[19]

Importanza scientifica

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Questo evento costituisce la prova più forte a sostegno della tesi che vede la collisione di stelle binarie collegata ai lampi gamma corti.[1] Esso ha anche fornito un limite alla differenza che può esservi tra velocità della luce e velocità della gravità (intesa come velocità delle onde gravitazionali, la quale, secondo la teoria della relatività generale, è uguale a quella della luce), con un valore massimo, vGW − vEM, compreso tra −3×10−15 e +7×10−16 volte la velocità della luce.[16] Inoltre, la collisione ha permesso un’indagine sul principio di equivalenza (attraverso la misurazione del ritardo di Shapiro) e sull’invarianza di Lorentz.[1] Le nuove osservazioni hanno ridotto i limiti delle possibili violazioni dell’invarianza di Lorentz fino a dieci ordini di grandezza.[16] Il segnale GW170817 ha anche escluso la validità di alcune teorie alternative alla relatività generale[20][21][22][23][24], incluse alcune varianti della gravità di Hořava-Lifschitz e della teoria della gravitazione di Brans-Dicke.[25][26][27][28]

Segnali di onde gravitazionali come il GW170817 possono essere utilizzati per fornire misure indipendenti della costante di Hubble.[29]

Le osservazioni elettromagnetiche effettuate hanno inoltre dato supporto alla teoria secondo la quale le fusioni di stelle di neutroni avrebbero un ruolo fondamentale nella nucleosintesi del processo r.[14]

Note

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  1. ^ a b c d e f g B. P. Abbott, GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral, in Physical Review Letters, vol. 119, n. 16, 16 ottobre 2017, DOI:10.1103/PhysRevLett.119.161101.
  2. ^ Elizabeth Landau, Felicia Chou, Dewayne Washington e Molly Porter, NASA Missions Catch First Light from a Gravitational-Wave Event, NASA, 16 ottobre 2017. URL consultato il 16 ottobre 2017.
  3. ^ Neutron star discovery marks breakthrough for 'multi-messenger astronomy', su csmonitor.com, 16 ottobre 2017. URL consultato il 17 ottobre 2017.
  4. ^ a b Dennis Overbye, LIGO Detects Fierce Collision of Neutron Stars for the First Time, The New York Times, 16 ottobre 2017. URL consultato il 16 ottobre 2017.
  5. ^ a b c d Lisa M. Krieger, A Bright Light Seen Across The Universe, Proving Einstein Right - Violent collisions source of our gold, silver, The Mercury News, 16 ottobre 2017. URL consultato il 16 ottobre 2017.
  6. ^ a b c d e f Adrian Cho, Merging neutron stars generate gravitational waves and a celestial light show, Science, 16 ottobre 2017. URL consultato il 16 ottobre 2017.
  7. ^ a b B. P. Abbott, Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, in The Astrophysical Journal, vol. 848, L12, 16 ottobre 2017, DOI:10.3847/2041-8213/aa91c9.
  8. ^ a b c Davide Castelvecchi, Rumours swell over new kind of gravitational-wave sighting, Nature News, 25 agosto 2017, DOI:10.1038/nature.2017.22482. URL consultato il 27 agosto 2017.
  9. ^ a b Mika McKinnon, Exclusive: We may have detected a new kind of gravitational wave, New Scientist, 23 agosto 2017. URL consultato il 28 agosto 2017.
  10. ^ Staff, A very exciting LIGO-Virgo Observing run is drawing to a close August 25 [2017], LIGO, 25 agosto 2017. URL consultato il 29 agosto 2017.
  11. ^ a b Nadia Drake, Strange Stars Caught Wrinkling Spacetime? Get the Facts., su news.nationalgeographic.com, National Geographic Magazine, 25 agosto 2017. URL consultato il 27 agosto 2017.
  12. ^ Susanna Kohler, Neutron-Star Merger Detected By Many Eyes and Ears, su aasnova.org, AAS Nova, 16 ottobre 2017. URL consultato il 16 ottobre 2017.
  13. ^ a b c d Charles Q. Choi, Gravitational Waves Detected from Neutron-Star Crashes: The Discovery Explained, su space.com, Space.com, 16 ottobre 2017. URL consultato il 16 ottobre 2017.
  14. ^ a b c d M. R. Drout et al., Light curves of the neutron star merger GW170817/SSS17a: Implications for r-process nucleosynthesis, in Science, 2017, DOI:10.1126/science.aaq0049.
  15. ^ Joshua Sokol, What Happens When Two Neutron Stars Collide?, su wired.com, Wired, 25 agosto 2017. URL consultato il 27 agosto 2017.
  16. ^ a b c d B. P. Abbott et al., Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A, in The Astrophysical Journal Letters, vol. 848, n. 2, 2017, pp. 1–13, DOI:10.3847/2041-8213/aa920c.
  17. ^ Edo Berger, Conferenza stampa LIGO/Virgo, 16 ottobre 2017.
  18. ^ (EN) GW170817 Most Likely Made a Black Hole (PDF), su arxiv.org, 1º maggio 2018.
  19. ^ Elisa Nichelli, Dalle onde gravitazionali il buco nero più piccolo, su globalist.it/, 1º giugno 2018. URL consultato il 1º giugno 2018 (archiviato dall'url originale l'8 giugno 2018).
  20. ^ L. Lombriser, A. Taylor: Breaking a Dark Degeneracy with Gravitational Waves, in: JCAP03(2016)031, DOI: 10.1088/1475-7516/2016/03/031
  21. ^ L. Lombriser, N. Lima: Challenges to Self-Acceleration in Modified Gravity from Gravitational Waves and Large-Scale Structure, in: Phys. Lett. B 765, 382 (2017), DOI: 10.1016/j.physletb.2016.12.048
  22. ^ Perché l’universo si espande? Il rompicapo di Einstein e la costante mancante, 17 febbraio 17, 2017.
  23. ^ Quest to settle riddle over Einstein's theory may soon be over, su phys.org, 10 febbraio 2017. URL consultato il 29 ottobre 2017.
  24. ^ Theoretical battle: Dark energy vs. modified gravity, su Ars Technica, 25 febbraio 2017. URL consultato il 27 ottobre 2017.
  25. ^ Dark Energy after GW170817. Paolo Creminelli, Filippo Vernizzi, arXiv:1710.05877
  26. ^ Implications of the Neutron Star Merger GW170817 for Cosmological Scalar-Tensor Theories. Jeremy Sakstein, Bhuvnesh Jain, arXiv:1710.05893
  27. ^ Dark Energy after GW170817. Jose María Ezquiaga, Miguel Zumalacárregui, arXiv:1710.05901
  28. ^ Tessa Baker, Emilio Bellini e Pedro G. Ferreira, Strong constraints on cosmological gravity from GW170817 and GRB 170817A, in arXiv:1710.06394 [astro-ph, physics:gr-qc, physics:hep-th], 17 ottobre 2017. URL consultato il 24 ottobre 2017.
  29. ^ B. P. Abbott, A gravitational-wave standard siren measurement of the Hubble constant, in Nature, 16 ottobre 2017, DOI:10.1038/nature24471.

Altri progetti

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Collegamenti esterni

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