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Spazio

Onde gravitazionali: la quinta osservazione che “vale” oro

Rilevata la fusione di due stelle di neutroni, per la prima volta anche con i telescopi tradizionali: scoperto come si formano oro, argento e platino

Ancora non si sono spenti gli echi di entusiasmo per l’assegnazione del premio Nobel per la fisica agli inventori degli strumenti per captare le onde gravitazionali, che il mondo scientifico è di nuovo in fibrillazione per una nuova, eclatante, ed epocale osservazione delle increspature dello spazio tempo.

È la quinta rilevazione ottenuta finora dal 2015, annunciata il 16 ottobre urbi et orbi ma avvenuta il 17 agosto.

Questa volta, ed è la prima, il fenomeno che ha prodotto le onde gravitazionali è stato osservato, però, anche dai tradizionali telescopi terrestri, in tutto una settantina di osservatori sparsi per il globo, e dai satelliti che scrutano il cielo nei raggi gamma e X.

Cosa hanno visto gli strumenti

L’evento che ha dato origine alle distorsioni dello spazio-tempo, la struttura che forma l’universo e dove risiedono tutti gli oggetti esistenti, è un titanico scontro di due stelle di neutroni, che si sono fuse in un unico oggetto, producendo enormi emissioni di onde elettromagnetiche e gravitazionali.

Lo strumento italiano Virgo, a Cascina, vicino a Pisa, ha rilevato per primo la collisione, catturandone le onde gravitazionali scaturite e che si sono propagate nel cosmo.

Il segnale è stato battezzato GW170817, dove GW sta per Gravitational Wave (onda in inglese) e il numeri seguenti sono le cifre della data della rilevazione.

Ventidue millisecondi più tardi anche il rilevatore LIGO a Livingston (Louisiana) ha captato l’evento e tre millisecondi dopo è toccato al suo gemello situato ad Hanford, nello stato americano di Washington.

A differenza dei precedenti rilevamenti, generati da scontri di buchi neri e durati una frazione di secondo, questa volta il segnale ha fatto distorcere i bracci degli interferometri Virgo e Ligo per oltre un minuto e mezzo.

Triangolando i dati acquisiti dai tre strumenti è stato possibile identificare la sorgente delle onde: si tratta della galassia NGC 4993 a 138 milioni di anni luce, in direzione della costellazione dell’Idra.

Un secondo e sette decimi dopo, Fermi (Fermi Gamma-ray Space Telescope) della NASA e INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory) dell'ESA, due satelliti che osservano il cielo nei raggi gamma, hanno visto un lampo di queste onde elettromagnetiche provenire dalla stessa zona del cielo, confermando così che GW170817 è la sorgente di onde gravitazionali più vicina a noi finora scoperta.

Anche i telescopi dell’European Soutenrn Observatory (ESO), in Cile, hanno osservato il fenomeno nella luce visibile e nell’infrarosso, seguiti a ruota da quelli americani alle Hawaii, che hanno registrato l’evoluzione dell’evento.

Infine, anche il satellite Chandra, è stato puntato nella direzione di GW170817, per completare la raccolta di dati grazie ai suoi strumenti che captano i raggi X.

Insomma, la fusione delle due stelle di neutroni è stata osservata in tutto lo spettro della radiazione elettromagnetica e simultaneamente con i rilevatori di onde gravitazionale.

La complementarietà della metodologia, impiegata per la prima volta nella scoperta di un evento cosmico, ha fatto entusiasmare parecchi scienziati, che hanno proclamato la “nascita di una nuova era dell’astronomia”.

Cosa sono le stelle di neutroni

Quando stelle con una grande massa, almeno il triplo di quella del Sole, esauriscono tutto il combustibile che alimenta le fusioni nucleari che le fanno risplendere, allora esplodono scagliando i loro strati esterni nello spazio, fenomeno noto come supernova.

Quel che rimane si condensa in una sfera di appena venti chilometri di diametro, con una densità così elevata che la materia si disgrega: i neutroni che sono nel nucleo atomico degli elementi chimici (e non hanno carica elettrica) si uniscono a formare il corpo massiccio della stella, mentre protoni ed elettroni si staccano anch’essi dagli atomi e producono una “nuvola” di elettricità sulla superficie dell’oggetto.

Proprio le emissioni elettromagnetiche generate dal movimento di queste cariche elettriche permettono agli astronomi di osservare queste stelle con radiotelescopi, altrimenti invisibili perché non emettono luce.

Lo scontro di due stelle di neutroni, che se abbastanza vicine si attraggono inesorabilmente per la grande forza di gravità che hanno, produce un bagliore mille volte più luminoso delle “classiche” esplosioni stellari, le nova, che accadono invece sulla superficie di singoli astri, che emettono pochissima luce: queste esplosioni li rendono improvvisamente e per un certo periodo visibili in cielo.

Per questo agli oggetti nati dalla fusione di due stelle di neutroni è stato dato il nome di chilonova: il prefisso significa proprio che la luce prodotta nello scontro è di intensità mille volte maggiore rispetto a una nova.

Una scoperta che vale oro

Tutti gli elementi che formano pianeti, asteroidi, comete, e ogni oggetto cosmico sono sintetizzati nel nucleo delle stelle tramite la fusione nucleare.

A partire dall’unione di atomi di idrogeno ed elio, queste fucine cosmiche forgiano tutti gli altri elementi più pesanti, come litio, berillio, carbonio, eccetera. Quando le stelle “muoiono”, vengono rilasciati nello spazio e, dopo miliardi di anni, le particelle si aggregano a formare un sistema planetario.

Ma le fusioni nucleari non sono in grado di generare atomi più pesanti del ferro.

Da dove arrivano quindi tutti gli altri metalli che vediamo nella tavola periodica degli elementi, sulla crosta terrestre e negli altri corpi celesti?

Dalle osservazioni dei residui scagliati nel cosmo dalle supernove, è emerso che si formano durante questi violentissimi eventi.

Però, analizzando i dati, gli astrofisici hanno stimato che solo la metà del quantitativo di oro, platino e argento presenti nell’universo è nato in questo modo.

Da dove venisse il resto è rimasto un mistero fino a qualche decennio fa, quando alcuni scienziati proposero che fossero le chilonova a produrre la materia mancante. Però l’ipotesi non è stata mai corroborata da prove osservative.

Proprio la formazione della chilonova vista il 17 agosto ha però dato ragione a questa teoria: su alcuni telescopi dell’ESO sono infatti installati degli spettrometri, strumenti che permettono di valutare la composizione chimica di oggetti cosmici analizzando la luce che emettono.

Gli spettrometri hanno evidenziato la presenza di “cesio e tellurio, espulsi dalle stelle di neutroni in fusione. Questi e altri elementi pesanti, prodotti proprio durante la fusione di stelle di neutroni, sarebbero lanciati nello spazio dalla chilonova che segue” dicono i portavoce dell’ESO.

La scoperta è perciò importantissima anche perché fornisce finalmente la spiegazione dell’origine dei metalli preziosi, da un punto di vista scientifico, per la formazione dei pianeti

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