La nuova immagine di Hubble rivela dettagli mai visti prima della collisione della stella di neutroni


A marzo, gli astronomi puntarono il telescopio spaziale Hubble in un punto distante dello spazio in cui due stelle di neutroni si erano scontrate. Usando l'occhio gigante di Hubble, fissarono quel punto distante per 7 ore, 28 minuti e 32 secondi nel corso di sei orbite del telescopio attorno alla Terra. È stata la più lunga esposizione mai fatta sul sito di collisione, quella che gli astronomi chiamano l'immagine "più profonda". Ma il loro colpo, fatto più di 19 mesi dopo che la luce della collisione raggiunse la Terra, non raccolse alcun residuo della fusione di stelle di neutroni. E questa è una grande notizia.

Questa storia è iniziata con un sussulto il 17 agosto 2017. Un'onda gravitazionale, che ha viaggiato per 130 milioni di anni luce attraverso lo spazio, ha spinto i laser nel Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), il rivelatore di onde gravitazionali che attraversa il globo. Quel segnale ha seguito uno schema, che diceva ai ricercatori che era il risultato della fusione di due stelle di neutroni – la prima fusione di stelle di neutroni mai rilevata. I rilevatori di onde gravitazionali non sono in grado di dire da quale direzione provenga un'onda, ma non appena il segnale è arrivato, gli astronomi di tutto il mondo sono entrati in azione, dando la caccia al cielo notturno alla fonte dell'esplosione. Lo trovarono presto: un punto alla periferia di una galassia conosciuta come NGC4993 si era illuminato con la "chilonova" della collisione – una grande esplosione che lancia nello spazio un materiale radioattivo in rapido decadimento in una brillante esposizione di luce.

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Alcune settimane dopo, NGC4993 passò dietro il sole e non emerse di nuovo fino a circa 100 giorni dopo il primo segno della collisione. A quel punto, il kilonova era sbiadito, rivelando il "bagliore finale" della fusione di stelle di neutroni – un fenomeno più debole ma di più lunga durata. Tra dicembre 2017 e dicembre 2018, gli astronomi hanno usato l'Hubble per osservare il bagliore dopo 10 volte mentre si attenuava lentamente. Quest'ultima immagine, tuttavia, che non mostra alcun bagliore visibile o altri segni della collisione, potrebbe essere la più importante di sempre.

"Siamo stati in grado di creare un'immagine davvero accurata e questo ci ha aiutato a guardare indietro alle 10 immagini precedenti e realizzare una serie temporale davvero accurata", ha dichiarato Wen-fai Fong, un astronomo della Northwestern University che ha guidato questo ultimo sforzo di imaging.

Quella "serie temporale" equivale a 10 scatti chiari del bagliore che si evolve nel tempo. L'ultima immagine della serie, che mostra quel punto nello spazio senza alcun bagliore, ha permesso loro di tornare alle immagini precedenti e sottrarre la luce da tutte le stelle circostanti. Con tutta quella luce stellare rimossa, i ricercatori sono stati lasciati con immagini senza precedenti ed estremamente dettagliate della forma e dell'evoluzione del bagliore nel tempo.

Ecco come appaiono le dieci immagini precedenti con l'immagine di Fong sottratta da esse.

(Credito immagine: Wen-fai Fong et al, Hubble Space Telescope / NASA)

L'immagine che è emersa non assomiglia a nulla che vedremmo se alzassimo gli occhi nel cielo notturno con i nostri occhi, ha detto Fong a Live Science.

"Quando due stelle di neutroni si fondono, formano un oggetto pesante – una massiccia stella di neutroni o un buco nero chiaro – e ruotano molto rapidamente. E il materiale viene espulso lungo i poli", ha detto.

Quel materiale decolla a velocità vertiginosa in due colonne, una rivolta verso l'alto dal polo sud e una verso nord, ha detto. Mentre si allontana dal sito di collisione, si scontra con polvere e altri detriti spaziali interstellari, trasferendo parte della sua energia cinetica e facendo brillare quel materiale interstellare. Le energie coinvolte sono intense, ha detto Fong. Se ciò accadesse nel nostro sistema solare, eclisserebbe di gran lunga il nostro sole.

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Gran parte di questo era già noto da precedenti studi teorici e osservazioni sul bagliore, ma la vera importanza del lavoro di Fong per gli astronomi è che rivela il contesto in cui si è verificata la collisione originale.

"Questo è un bel lavoro. Mostra ciò che avevamo sospettato nel nostro lavoro da precedenti osservazioni di Hubble", ha detto Joseph Lyman, un astronomo dell'Università di Warwick in Inghilterra, che ha condotto uno studio precedente sul bagliore. "La stella binaria dei neutroni non si è fusa all'interno di un ammasso globulare."

Gli ammassi globulari sono regioni dello spazio piene di stelle, Lyman, che non era coinvolto nel nuovo sforzo, ha detto a Live Science. Le stelle di neutroni sono rare e i binari di stelle di neutroni, o coppie di stelle di neutroni in orbita l'una attorno all'altra, sono ancora più rari. All'inizio, gli astronomi avevano sospettato che la fusione dei binari di stelle di neutroni sarebbe molto probabile che si presentasse in regioni dello spazio in cui le stelle erano strettamente raggruppate e oscillano selvaggiamente l'una attorno all'altra. Lyman e i suoi colleghi, analizzando quei dati precedenti di Hubble, hanno rivelato alcune prove che potrebbero non essere il caso. L'immagine di Fong ha mostrato che non è stato trovato alcun ammasso globulare, il che sembra confermare che, almeno in questo caso, una collisione di stelle di neutroni non ha bisogno di un denso ammasso di stelle per formarsi.

Un motivo importante per studiare questi ultimi bagliori, ha detto Fong, è che potrebbe aiutarci a comprendere brevi lampi di raggi gamma – misteriose esplosioni di raggi gamma che gli astronomi occasionalmente rilevano nello spazio.

"Pensiamo che queste esplosioni potrebbero essere due stelle di neutroni che si fondono", ha detto.

La differenza in questi casi (in cima agli astronomi che non rilevano onde gravitazionali che confermerebbero la loro natura) è l'angolo delle fusioni con la Terra.

La Terra ha avuto una visione laterale del bagliore di questa fusione, ha detto Fong. Abbiamo potuto vedere la luce sorgere e poi svanire nel tempo.

Ma quando si verificano brevi lampi di raggi gamma, lei disse: "È come se stessi guardando giù nella canna del tubo di fuoco".

Uno dei getti della materia in fuga in quei casi, ha detto, è puntato verso la Terra. Quindi vediamo innanzitutto la luce proveniente dalle particelle più veloci, che viaggiano alla velocità della luce TK, come un breve lampo di raggi gamma. Quindi il punto di luce svanirà lentamente quando le particelle più lente raggiungeranno la Terra e diventeranno visibili. (Nessuno ha ancora abbinato un breve raggio gamma a una firma ad onda gravitazionale di una fusione di stelle di neutroni.)

Questo nuovo documento, che sarà pubblicato in Astrophysical Journal Letters, non conferma questa teoria. Ma offre ai ricercatori più materiale di quanto abbiano mai avuto prima per studiare il bagliore di una fusione di stelle di neutroni.

"È una buona pubblicità per l'importanza di Hubble nel comprendere questi sistemi estremamente deboli", ha detto Lyman, "e fornisce indizi su quali ulteriori possibilità saranno rese possibili da [the James Webb Space Telescope], "l'enorme successore di Hubble che dovrebbe essere schierato nel 2021.

Originariamente pubblicato il Scienza dal vivo.