I ricercatori delle collaborazioni LIGO, Virgo e KAGRA presentano due nuovi eventi legati alle onde gravitazionali, che sono stati rilevati in soli dieci giorni nel gennaio 2020. I segnali recepiti dagli interferometri LIGO e Virgo sono onde gravitazionali che rappresentano la prima forte e rara evidenza di una fusione binaria di stelle di neutroni con buchi neri.
I due eventi, soprannominati GW200105 e GW200115, sono stati osservati rispettivamente il 5 e il 15 gennaio 2020 confermando l’esistenza di questo tipo di fenomeni previsti dagli astrofisici già da diversi decenni, ma fino a oggi mai osservati. Questi primi risultati rivelati nella seconda metà di O3, il terzo periodo di osservazione, dagli interferometri Ligo e Virgo, due collocati negli Stati Uniti e uno in Italia nei pressi di Pisa – a cui partecipa l’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – e le loro implicazioni astrofisiche sono stati pubblicati oggi su Astrophysical Journal Letters.
“Con la prima rivelazione in assoluto di una fusione fra buchi neri e stelle di neutroni fatta dai rivelatori Virgo e LIGO abbiamo finalmente completato la nostra collezione di osservazioni di fusione di oggetti compatti. – spiega Matteo Di Giovanni, ricercatore post-doc al Gran Sasso Science Institute, membro della collaborazione scientifica internazionale LIGO-Virgo e associato INFN – Questo è un altro fondamentale passo avanti nella conoscenza dell’universo e della fisica estrema “.
Con l’osservazione di questi rari sistemi binari – detti anche NSBH Neutron Stars / Black Holes – si completano infatti le possibilità di tutti e tre tipi di sistemi binari che si possono formare da buchi neri e stelle di neutroni, note come “binarie compatte”.
Sebbene non sia stata emessa luce durante questi eventi, le onde gravitazionali sono state rivelate con molta chiarezza consentendo agli scienziati di capire meglio l’origine di questi sistemi e la frequenza con la quale si fondono.
“Dopo la fusione di due buchi neri e quella tra due stelle di neutroni, questa tra un buco nero e una stella di neutroni è l’unico tipo di evento che mancava nella collezione di oggetti rivelata da LIGO e Virgo – afferma Ulyana Dupletsa, dottoranda in Fisica Astroparticellare al GSSI, associata INFN e membro della collaborazione internazionale – “Eventi come questi ci forniranno nuove opportunità per studiare la materia in condizioni estreme”. 
Il primo dei due eventi, GW200105, è stato rivelato come un forte segnale da uno dei due rivelatori LIGO, mentre l’altro era temporaneamente offline. Dalle onde gravitazionali gli astronomi hanno dedotto che il segnale era stato causato da un buco nero di 9 masse solari in collisione con un oggetto compatto di 1,9 masse solari concludendo che quest’ultimo oggetto potesse essere una stella di neutroni. Questa fusione è avvenuta ad una distanza di circa 900 milioni di anni luce.
Il secondo evento, che è stato rilevato solo 10 giorni dopo (GW200115), è stato visto sia dai due interferometri LIGO che da quello Virgo. Sebbene la rilevazione di ogni singolo strumento sia meno forte di GW200105, le informazioni combinate e le rilevazioni coincidenti lo rendono un forte segnale. GW200115 proviene dalla fusione di un buco nero di 6 masse solari con una stella di neutroni di 1,5 masse solari. La collisione ha avuto luogo a circa 1 miliardo di anni luce dalla Terra.
Con le osservazioni contemporanee dei tre rilevatori distanziati sulla Terra, la direzione dell’origine delle onde può essere determinata in una parte del cielo equivalente all’area coperta da 2.900 lune piene. I ricercatori hanno potuto stimare anche la frequenza con cui tali eventi avvengono e hanno ipotizzato che approssimativamente una fusione al mese avvenga entro una distanza di un miliardo di anni luce ma non tutti questi eventi sono rilevabili con gli attuali rivelatori.
Non è ancora chiaro come si siano formati questi sistemi binari ma ci sono tre possibilità che gli astronomi hanno identificato come le più probabili. La prima è che siano l’evoluzione tra coppie di stelle buchi neri e stelle di neutroni; oppure che siano il risultato di interazioni avvenute in ambienti stellari densi (clusters) o nei pressi di un nucleo galattico attivo.
“È davvero emozionante studiare due oggetti estremi quali le stelle di neutroni e i buchi neri che si fondono – conclude Gor Oganesyan, postdoc al GSSI, membro di Virgo e associato INFN – “Per avere un’idea di cosa si nasconde all’interno di una piccola e pesante stella di neutroni, dobbiamo osservarla mentre si distrugge. Abbiamo in programma di osservare altre fusioni di questo tipo con la speranza di catturare la luce della stella di neutroni schiacciata dal piccolo ma velocissimo buco nero in rotazione”.
La Collaborazione Virgo è attualmente composta da circa 700 membri di 126 istituzioni in 15 paesi, principalmente europei (Italia, Francia, Olanda, Germania, Belgio, Irlanda, Grecia, Ungheria, Portogallo, Repubblica Ceca, Polonia). L’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) ospita il rivelatore Virgo vicino in Italia, a Pisa, ed è finanziato dall’INFN, dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese, e dall’Istituto Nazionale per la Fisica Subatomica olandese (Nikhef).
Della collaborazione Virgo fanno parte anche 14 ricercatori e ricercatrici del GSSI: Tomislav Andric, Marica Branchesi, Eugenio Coccia, Elena Codazzo, Simone Dall’Osso, Matteo Di Giovanni, Ulyana Dupletsa, Boris Goncharov, Jan Harms, Soumen Koley, Gor Oganesyan, Giulia Pagliaroli, Samuele Ronchini, Ashish Sharma.
