mercoledì 22 novembre 2017

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Luce dalle onde gravitazionali

Per la prima volta, gli scienziati della NASA hanno rilevato la luce legata ad un'onda gravitazionale, grazie a due stelle di neutroni che si sono scontrate nella galassia NGC 4993, situata a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra nella costellazione dell' Hydra.

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha raccolto un impulso di luce ad alta energia da una potente esplosione, che fu immediatamente riportata agli astronomi di tutto il mondo come un breve lampo gamma.
Successivamente gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno rilevato onde gravitazionali (soprannominate GW170817) provenienti da una coppia di stelle che si sono fuse generando una esplose nello stesso punto da cui era arrivato il raggio gamma.
Questo evento ha incoraggiando gli astronomi a cercare le conseguenze dell'esplosione. Poco dopo, l'esplosione è stata rilevata dal satellite INTEGRAL dell'ESA.


La NASA ha subito puntato i suoi telescopi Swift, Hubble, Chandra e Spitzer, seguiti da dozzine di osservatori terrestri, verso quell'angolo di cielo e hanno in catturato il bagliore sbiadito dei detriti in espansione dell'esplosione.
Per la prima volta abbiamo visto la luce e le onde gravitazionali prodotte dallo stesso evento: la rivelazione della luce di una sorgente di onde gravitazionali ha rivelato dettagli dell'evento che non possono essere determinati dalle sole onde gravitazionali.

Le stelle di neutroni (Pulsar) sono oggetti estremamente massicci, rimasugli di potenti esplosioni di supernove.
Potete leggere in questo approfondimento qual'è il violento processo che le genera e perché sono così massicce: Cosa sono le supernovae.

Si stima che le due pulsar che si sono unite in questo evento, probabilmente avevano masse tra il 10% e il 60% maggiori di quelle del nostro Sole, ma erano più piccole della città di Milano!
La coppia ruotava l'una intorno all'altra centinaia di volte al secondo, producendo onde gravitazionali alla stessa frequenza. Dopo essersi avvicinate e aver orbitato sempre più velocemente, le due stelle alla fine si sono fuse. Il risultato è stato una Kilonova: un fascio potentissimo e rarissimo di raggi gamma.
Questa animazione della NASA riassume molto bene le fasi dell'esplosione. 


Mentre le fusioni tra buchi neri molto probabilmente distrugge qualsiasi materia intorno a loro molto prima che si schianti, emanando pochissima luce visibile, le fusioni tra stelle di neutroni invece producono un'ampia varietà di luce perché gli oggetti quando si scontrano formano un vortice di detriti molto caldi.

La spiegazione preferita per i fasci brevi di raggi gamma è che siano causati da un getto di detriti che si muove vicino alla velocità della luce. Gli unici corpi in grado di accelerare la materia fino a queste velocità impressionanti sono i buchi neri o le stelle di neutroni durante una eventuale loro fusione.
Quindi, le osservazioni del LIGO ci dicono che c'è stata una fusione di oggetti molto compatti, mentre il Fermi ci dice che c'è stato un breve fascio di raggi gamma: unendo i dati sappiamo con abbastanza precisione che ciò che abbiamo osservato è stata la fusione di due stelle di neutroni.

A poche ore dall'iniziale rilevamento dei raggi gamma da parte del Fermi, Il LIGO è stato in grado di localizzare l'evento nel cielo con un'ulteriore analisi dei dati delle onde gravitazionali. Gli osservatori a terra hanno quindi localizzato rapidamente una nuova sorgente ottica e infrarossa, i resti rimasti della la kilonova, in NGC 4993.

Attraverso il telescopio Swift, poco dopo il rilevamento del raggio gamma di Fermi, si è osservata una esplosione ultravioletta (UV) che si è però affievolita molto velocemente.
Gli astrofisici non si aspettavano affatto che una kilonova producesse una emissione così brillante di raggi ultra violetti e pensano che questo sia stato prodotto dal disco di detriti di breve durata che ha alimentato il fascio di raggi gamma.
Dopo eventi di questo tipo, il materiale scagliato nello spazio dall'esplosione rallenta e si espande man mano che si allontana, riscaldando il materiale interstellare che incontra e producendo la cosiddetta emissione "afterglow" (dopo il bagliore) che include anche i raggi X.
Ma i telescopi spaziali non hanno osservato raggi X nell'immediato! E questa è stata una sorpresa inspiegabile per un evento che ha prodotto raggi gamma ad alta energia.
Soltanto nove giorni dopo l'esplosione, l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA ha rilevato chiaramente i raggi X provenienti dall'esplosione.
Gli scienziati ritengono che il ritardo sia dovuto al nostro angolo di visione e che ci sia voluto del tempo perché il getto diretto verso la Terra si espandesse nella nostra visuale.

L'osservazione finale dei raggi X dopo l'esplosione dimostra che le fusioni tra stelle di neutroni possono formare potenti getti che scorrono a velocità prossime a quelle della luce, anche se abbiamo dovuto aspettare nove giorni per rilevarli perché li abbiamo visti lateralmente.

Il telescopio spaziale Hubble della NASA ha iniziato a fotografare la kilonova e a catturane lo spettro nel vicino infrarosso, che ha rivelato il movimento e la composizione chimica dei detriti in espansione.
Questo spettro sembra esattamente come i fisici teorici avevano previsto che fosse dopo la fusione tra due stelle di neutroni, legando questo oggetto alla sorgente di onde gravitazionali oltre ogni ragionevole dubbio.

Gli astronomi pensano che la luce visibile e quella infrarossa di una kilonova provenga principalmente dal riscaldamento dovuto al decadimento di elementi radioattivi formati nei detriti ricchi di neutroni. Lo scontro tra stelle di neutroni potrebbe essere la fonte maggiore di molti elementi pesanticome il platino e l'oro.

Le immagini qui sotto sono state riprese dal telescopio Swift. Riprendono la kilonova prodotta dalla fusione delle stelle di neutroni nella galassia NGC 4993 (riquadro) il 18 agosto 2017, circa 15 ore dopo che sono state osservate le onde gravitazionali e il fascio di raggi gamma. La fonte era inaspettatamente luminosa nello spettro ultravioletto e si è poi sbiadito rapidamente finendo per non essere più rilevabile dopo pochi giorni. Questo composito in falsi colori combina le immagini prese attraverso tre filtri ultravioletti.





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La materia oscura potrebbe essere costituita da buchi neri primordiali numerosi quanto le stelle? Con ricerche lunghe decenni che non riescono a trovare le ipotetiche particelle di materia oscura che i teorici hanno favorito, i fisici si stanno rivolgendo a metodi più radicali per spiegare la massa mancante dell'universo. Questa è un'idea che ha iniziato a mettere le sue radici quando la scoperta delle onde gravitazionali ha suggerito che il cosmo abbonda di buchi neri inaspettatamente pesanti. 

La materia oscura è una forma di "materia" che compone circa il 90% dell'universo ma che i ricercatori e i cosmologi non sono ancora riusciti ad individuare e osservare in maniera diretta.
La maggior parte degli sforzi compiuti fino ad oggi dalla ricerca sono stati volti a tentativi di scoperta di particelle subatomiche che potessero rappresentarla. Nonostante queste ricerche abbiano portato alla luce diverse nuove particelle elementari, nessuna di esse è ancora arrivata a definire la materia oscura.
Nell'ultimo anno, sopratutto dopo le ultime sorprendenti rilevazioni delle onde gravitazionali, sta prendendo piede anche un'altra teoria radicalmente diversa da quelle in voga.

Questa teoria prevede che la materia oscura sia costituita da buchi neri formati durante il primo secondo dell'esistenza del nostro universo, noti come buchi neri primordiali.
La teoria della materia oscura costituita da buchi neri primordiali è molto semplice e si basa su concetti molto lineari e oggi abbastanza conosciuti, tralasciando idee esotiche e particelle mai osservate. Sarebbe insomma in linea con la purezza e la semplicità dell'universo.
Alexander Kashlinsky, il cosmologo del Goddard Space Flight Center della NASA a capo del team che sta lavorando a questo concetto, suggerisce che questa interpretazione sia in linea con la nostra conoscenza dei raggi cosmici nell'infrarosso e dei raggi X, e che possa spiegare le masse inaspettatamente alte nelle collisioni tra buchi neri rilevate negli ultimi periodi.
In questo approfondimento, per esempio, abbiamo scritto cosa accade quando un buco nero primordiale si scontra con una stella di neutroni
I cosmologi prevedono che se la teoria fosse corretta, allora tutte le galassie (inclusa la nostra) sarebbero incorporate in una vasta sfera di buchi neri primordiali con masse ciascuno di circa 30 volte la massa del sole.

Nel 2005 gli astronomi usarono il telescopio spaziale Spitzer della NASA per esplorare il bagliore di fondo della luce infrarossa in una zona dell'Orsa Maggiore. I ricercatori hanno notato un'eccessiva alterazione nella luce, e hanno concluso che probabilmente è stata causata dalla luce aggregata delle prime stelle presenti nell'universo più di 13 miliardi di anni fa.
Studi successivi hanno confermato che questa struttura inattesa nello "sottofondo a raggi infrarossi" (CIB) è presente anche in altre parti del cielo.
Nel 2013 grazie al moderno NASA chandra x-ray observatory, 
questi pattern sono stati inaspettatamente confermati anche nel sottofondo cosmico a raggi X

Tutto ciò però è molto strano. Oggi sappiamo infatti che le prime stelle nate nell'universo hanno emesso luce principalmente nello spettro ottico e ultravioletto.
Ai nostri giorni questa luce risulta allungata nell'infrarosso a causa dell'espansione dello spazio. Questo significa che questa luce non dovrebbe contribuire in modo così evidente al bagliore di fondo nello spettro a raggi x.
L'unico oggetto che conosciamo che può essere sufficientemente luminoso in questo ampio intervallo di energia è un buco nero. Ecco perché Il gruppo di ricerca di Alexander Kashlinsky ha concluso che i buchi neri primordiali devono essere stati abbondanti tra le prime stelle, costituendo almeno una su cinque delle fonti che contribuiscono al "chiarore di fondo". 



L'immagine della NASA che vedete qui sopra è una di quelle che ha dato vita a questa nuova teoria.
La porzione a sinistra è stata ripresa del telescopio spaziale Spitzer della NASA e mostra una vista a infrarossi di un'area del cielo nella costellazione dell'Orsa Maggiore. La porzione a destra invece, dopo aver mascherato tutte le stelle conosciute e le galassie, mostra il bagliore di fondo infrarosso. Come si può notare questo bagliore è irregolare. I colori più chiari indicano aree più luminose.
Questo sottofondo è più irregolare di quello che può essere spiegato dalla presenza di galassie distanti e poco visibili, e si pensa che proprio  questa struttura in eccesso sia stata  emessa quando l'universo aveva meno di un miliardo di anni dalle prime stelle e da numerosi buchi neri primordiali.

La natura della materia oscura rimane una delle questioni irrisolte più importanti in astrofisica. Gli scienziati fino ad oggi hanno favorito modelli teorici che spiegano la materia oscura come una particella esotica, ma finora le ricerche non sono riuscite a dimostrare che queste particelle ipotetiche esistano realmente.

La NASA sta attualmente esaminando questo problema utilizzando le sue missioni "Alpha Magnetic Spectrometer" e "Fermi Gamma-ray Space Telescope".

Le osservazioni in questa direzione stanno fornendo risultati sempre più importanti e sensibili, riducendo lentamente i limiti e le possibilità in cui le particelle di materia oscura possono nascondersi.
L'incapacità di trovare queste particelle ha portato a un rinnovato interesse nello studio di come i buchi neri primordiali, formatisi nei primi istanti di vita dell'universo, potrebbero rappresentare la materia oscura.

I fisici hanno delineato diversi modi in cui l'universo caldo e in rapida espansione potrebbe produrre buchi neri primordiali nei primi istanti dopo il Big Bang.
Quanto più vecchio è l'universo quando si innescano i meccanismi che danno vita ad un buco nero, tanto più grandi possono essere i buchi neri. E poiché la finestra temporale in cui si pensa che siano nati dura solo una piccola frazione del primo secondo, gli scienziati si aspettano che i buchi neri primordiali mostrino una gamma ristretta di masse.

Il 14 settembre 2016, sono state rilevate dal Ligon (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di una coppia di buchi neri a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Questo evento ha segnato il primo rilevamento in assoluto delle onde gravitazionali e di conseguenza il tanto atteso rilevamento diretto dei buchi neri. Il segnale ha fornito agli scienziati della LIGO informazioni sulle masse dei singoli buchi neri. Uno di essi aveva una massa pari a 29 volte la massa del Sole, l'altro 36 volte. Gli astrofisici hanno trovato entrambe questi valori inaspettatamente grandi e sorprendentemente simili.

Secondo Alexander Kashlinsky, i buchi neri primordiali potrebbero avere proprietà molto simili a quelle rilevate da LIGO.
Se ipotizziamo che sia così, LIGO ha colto una fusione di buchi neri formatosi nell'universo primordiale.
Nel suo nuovo articolo, pubblicato il 24 maggio sull'Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analizza cosa potrebbe essere successo se la materia oscura consistesse in una popolazione di buchi neri simile a quelli rilevati da LIGO.
Secondo questo studio i buchi neri avrebbero distorto la distribuzione della massa nell'universo primordiale, aggiungendo una piccola fluttuazione che avrebbe avuto conseguenze centinaia di milioni di anni dopo: quando iniziarono a formarsi le prime stelle.

Per gran parte dei primi 500 milioni di anni dell'universo, la materia normale è rimasta troppo calda per fondersi con le prime stelle. La materia oscura non è stata influenzata dall'alta temperatura perché, indipendentemente dalla sua natura, interagisce principalmente attraverso la gravità.
Aggregandosi per attrazione reciproca, la materia oscura crollò in grumi chiamati "mini aloni". Queste zone fornirono un principio gravitazionale che avrebbe dato il via all'accumulo di materia normale.
Quindi il gas caldo collassò verso questi aloni di materia oscura, dando luogo a sacche di gas abbastanza densi da collassare ulteriormente nelle prime stelle.
La teoria mostra che se i buchi neri primordiali rappresentato la materia oscura, questo processo si verifica più rapidamente e produce facilmente la grumosità del sottofondo a raggi cosmici rilevata nei dati Spitzer.

Quando il gas cosmico cadde nei "mini aloni", la materia si sarebbe riscalda e alla fine avrebbe prodotto raggi X. Insieme, la luce infrarossa proveniente dalle prime stelle e i raggi X provenienti dalla materia caduta nei buchi neri di materia oscura, possono rappresentare quanto osservato tra il sottofondo a raggi cosmici e quello a raggi X.

Occasionalmente, alcuni buchi neri primordiali passano abbastanza vicini tra loro per rimanere gravitazionalmente intrappolati in sistemi binari. I buchi neri di questi sistemi binari, emetteranno radiazioni gravitazionali, perdono energia orbitale e finiscono per collassare uno sull'altro fondendosi in un buco nero più grande: come l'evento osservato da LIGO nel 2016.

Le prossime osservazioni del LIGO ci diranno molto di più sulla popolazione di buchi neri dell'universo, e ci diranno anche sia plausibile uno scenario in cui le galassie sarebbe popolate e circondate da uno sciame di buchi neri primordiali e non di strane particelle esotiche.

La missione Euclide, dell'Agenzia spaziale europea, che è attualmente in programma per il 2020, e il progetto LIBRAE, consentiranno agli astrofisici di sondare con alta precisione le popolazioni di sorgenti nella radiazione di fondo e determinare quali porzione è stata prodotta da buchi neri.