Comunicato Stampa

I telescopi dell'ESO osservano la prima luce emessa da una sorgente di onde gravitazionali

La fusione di due stelle di neutroni sparge oro e platino nello spazio

16 Ottobre 2017

La compagine di telescopi dell'ESO in Cile ha rivelato la prima controparte visibile di una sorgente di onde gravitazionali. Queste storiche osservazioni suggeriscono che questo oggetto, l'unico per ora, sia il risultato della fusione di due stelle di neutroni. Le conseguenze catastrofiche dell'incontro, o meglio scontro - previsto da tempo e chiamato chilonova - hanno diffuso elementi pesanti come oro e platino nell'Universo. Questa scoperta, pubblicata in diversi articoli su Nature e altre riviste, fornisce inoltre la più solida evidenza finora che i lampi di luce gamma corti siano causati dalla fusione di stelle di neutroni.

Per la prima volta in assoluto, gli astronomi hanno osservato sia le onde gravitazionali che la luce (radiazione elettromagnetica) dallo stesso evento, grazie a uno sforzo di collaborazione globale e alla reazione rapida delle strutture dell'ESO e di altri gruppi in tutto il mondo.

Il 17 agosto 2017, l'osservatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) dell'NSF negli Stati Uniti d'America, insieme con l'Interferometro Virgo in Italia, hanno rilevato onde gravitazionali che hanno raggiunto la Terra. Questo, il quinto evento gravitazionale osservato, è stato chiamato GW170817. Circa due secondi più tardi, due osservatori spaziali, Fermi (il Fermi Gamma-ray Space Telescope) della NASA e INTEGRAL (INTErnational Gamma Ray Astrophysics Laboratory) dell'ESA, hanno rilevato un lampo di luce gamma corto dalla stessa area del cielo.

La rete di osservatori LIGO-Virgo aveva circoscritto la posizione della sorgente all'interno di in un'ampia regione del cielo australe, della dimensione di parecchie centinaia di volte la dimensione della Luna piena, che contiene milioni di stelle [1]. Appena scesa la notte in Cile, molti telescopi sono stati diretti verso questa zona di cielo, alla ricerca di un nuovo punto luminoso. Tra questi: VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) e VST (VLT Survey Telescope) dell'ESO all'Osservatorio del Paranal, il telescopio italiano REM (Rapid Eye Mount) installato all'Osservatorio di La Silla dell'ESO, il telescopio LCO da 0,4 metri di diametro all'Osservatorio di Las Cumbres, l'americano DECcam all'Osservatorio Interamericano di Cerro Tololo. Il telescopio Swope da 1 metro di diametro è stato il primo ad annunciare una nuova sorgente di luce, molto vicina alla galassia NGC 4993, una galassia lenticolare nella costellazione dell'Idra, mentre quasi nello stesso momento le osservazioni di VISTA identificavano la stessa sorgente a lunghezze d'onda infrarosse. Mentre la notte scendeva sempre più a ovest sul globo, i telescopi delle Hawaii Pan-STARSS e Subaru si rivolgevano verso la sorgente per per vederla evolvere rapidamente.

"Ci sono rare occasioni in cui uno scienziato ha la possibilità di assistere all'inizio di una nuova era", ha commentato Elena Pian, astronoma all'INAF, Italia, e prima autrice di uno degli articoli pubblicati da Nature. "E questo è uno di quei momenti!"

L'ESO ha lanciato una delle più grandi campagne osservative per "target of opportunity" (cioè per oggetti variabili o comunque non noti in precedenza) e molti telescopi dell'ESO o a cui ESO partecipa hanno osservato l'oggetto nelle settimane dopo la scoperta [2]. Il VLT (Very Large Telescope) dell'ESO, l'NTT (New Technology Telescope), il VST, il telescopio da 2,2 metri dell'MPG/ESO e ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) [3] hanno tutti osservato l'evento e la sua evoluzione successiva in un grande intervallo di lunghezze d'onda. Circa 70 osservatori in tutto il mondo, tra cui il telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA, sono stati puntati sulla sorgente.

Le stime di distanza prodotte sia dai dati delle onde gravitazionali che da altre osservazioni sono concordi nel posizionare GW170817 alla stessa distanza di NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra. Ciò rende la sorgente sia l'evento di onde gravitazionali più vicino mai visto finora che uno dei più vicini lampi di luce gamma mai osservato [4].

Le increspature dello spazio-tempo note come onde gravitazionali vengono create da masse in movimento, ma solo le più intense, prodotte da rapidi cambiamenti della velocità di oggetti molto massicci, sono oggi osservabili. Uno di questi eventi è la fusione di stelle di neutroni, il resto estremamente denso del nucleo collassato di una stella di alta massa: ciò che rimane dopo un'esplosione di supernova [5]. Queste fusioni erano ritenute anche la spiegazione più convincente per spiegare i lampi di luce gamma corti. Un evento esplosivo circa 1000 volte più brillante di una tipica nova - noto perciò come chilonova - è previsto dopo uno di questi lampi gamma.

La detezione quasi simultanea di onde gravitazionali e raggi gamma da GW170817 aveva fatto ben sperarare che questo oggetto fosse dunque una delle tanto cercate chilonove e le osservazioni con i telescopi dell'ESO hanno mostrato proprietà molto vicine alle previsioni teoriche. Le chilonove sono state proposte più di 30 anni fa, ma questa è la prima osservazione confermata.

Dopo la fusione delle due stelle di neutroni, un'esplosione di elementi chimici pesanti in rapida espansione ha lasciato la chilonova, muovendosi a una velocità pari a un quinto della velocità della luce. Il colore della chilonova è passato da molto blu a molto rosso nel corso dei giorni successivi, un cambiamento più rapido di quanto mai osservato in un'esplosione stellare.

"Quando lo spettro è comparso sui nostri schermi mi sono reso conto che questo è l'oggetto transiente più strano che io abbia mai visto", ha detto Stephen Smartt, che guidava le osservazioni con l'NTT di ESO nell'ambito del programma osservativo ePESSTO (extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects; cioè l'estensione della survey pubblica dell'ESO per l'osservazione spettroscopica di oggetti transienti). "Non avevo mai visto nulla di simile! I nostri dati, insieme a quelli di altri gruppi, hanno dimostrato a tutti che questa non era una supernova o una stella variabile di primo piano, ma qualcosa di veramente notevole."

Gli spettri ottenuti da ePESSTO e dallo strumento X-shooter montato sul VLT suggeriscono 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. Le osservazioni confermano la formazione di elementi più pesanti del ferro per mezzo di reazioni nucleari all'interno di oggetti stellari di alta densità, noti come processi-r di nucleosintesi, o di nucleosintesi con cattura rapida di neutroni, finora solo prevista dalla teoria.

"I dati ottenuti finora collimano perfettamente con le previsioni teoriche. È un vero trionfo per i teorici, una conferma che gli eventi LIGO-Virgo sono assolutamente reali e un successo per l'ESO che è riuscito a raccogliere un tale messe di dati sulla chilonova", aggiunge Stefano Covino, primo autore di uno degli articoli su Nature Astronomy.

"La grande forza dell'ESO è di avere un'ampia gamma di telescopi e strumenti per affrontare rapidamente progetti astronomici complessi e di ampio respiro. Siamo entrati in una nuova era, quella dell'astronomia multi-vettore!" conlcude Andrew Levan, primo autore di uno degli altri articoli.

Note

[1] I dati di LIGO-Virgo indicavano l'ubicazione della sorgente in un'area di cielo di circa 35 gradi quadrati.

[2] La galassia era osservabile di sera solo in Agoso, mentre da Settembre era troppo vicina al Sole.

[3] Sul VLT, le osservazioni sono stata realizzate con: lo spettrografo X-shooter su UT2; FORS2 (FOcal Reducer and low dispersion Spectrograph 2) e NACO (Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) – Near-Infrared Imager and Spectrograph (CONICA) su UT1; VIMOS (VIsible Multi-Object Spectrograph) e VISIR (VLT Imager and Spectrometer for mid-Infrared) su UT3; MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) e HAWK-I (High Acuity Wide-field K-band Imager) su UT4. Le osservazioni con VST usavano OmegaCAM mentre VISTA montava VIRCAM (VISTA InfraRed CAMera). Nell'ambito del programma ePESSTO, l'NTT ha raccolto spettri nella banda del visibile con lo spettrografo EFOSC2 (ESO Faint Object Spectrograph and Camera 2) e spettri infrarossi con lo spettrografo SOFI (Son of ISAAC). Il telescopio da 2,2 metri dell'MPG/ESO ha osservato con lo strumento GROND (Gamma-Ray burst Optical/Near-infrared Detector).

[4] La distanza relativamente piccola tra la Terra e le due stelle di neutroni in fusione, circa 130 milioni di anni luce, ha reso possibili le osservazioni, dal momento che la fusione di stelle di neutroni produce un'onda gravitazionale più debole della fusione dei buchi neri, che invece rappresentano la probabile controparte dei primi quattro eventi di onde gravitazionli osservati.

[5] Quando le stelle di neutroni sono in orbita in un sistema binario, perdono energia emettendo onde gravitazionali. Si avvicinano sempre di più finchè, quando alla fine si scontrano, parte della massa del resto stellare viene convertita in energia, come descritto dalla famosa equazione di Einstein E=mc², sotto forma di un violento impulso di onde gravitazionali.

Ulteriori Informazioni

Questo risultato è stato presentato in una serie di articoli pubblicati dalle riviste Nature, Nature Astronomy e Astrophysical Journal Letters.

L'ESO (European Southern Observatory, o Osservatorio Australe Europeo) è la principale organizzazione intergovernativa di Astronomia in Europa e l'osservatorio astronomico più produttivo al mondo. È sostenuto da 16 paesi: Austria, Belgio, Brasile, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Italia, Paesi Bassi, Polonia, Portogallo, Regno Unito, Repubblica Ceca, Spagna, Svezia, e Svizzera, oltre al paese che ospita l'ESO, il Cile. L'ESO svolge un ambizioso programma che si concentra sulla progettazione, costruzione e gestione di potenti strumenti astronomici da terra che consentano agli astronomi di realizzare importanti scoperte scientifiche. L'ESO ha anche un ruolo di punta nel promuovere e organizzare la cooperazione nella ricerca astronomica. L'ESO gestisce tre siti osservativi unici al mondo in Cile: La Silla, Paranal e Chajnantor. Sul Paranal, l'ESO gestisce il Very Large Telescope, osservatorio astronomico d'avanguardia nella banda visibile e due telescopi per survey. VISTA, il più grande telescopio per survey al mondo, lavora nella banda infrarossa mentre il VST (VLT Survey Telescope) è il più grande telescopio progettato appositamente per produrre survey del cielo in luce visibile. L'ESO è il partner principale di ALMA, il più grande progetto astronomico esistente. E sul Cerro Armazones, vicino al Paranal, l'ESO sta costruendo l'Extremely Large Telescope o ELT (significa Telescopio Estremamente Grande), un telescopio da 39 metri che diventerà "il più grande occhio del mondo rivolto al cielo".

LIGO è finanziato dall'NSF, e gestito da Caltech e MIT, che hanno concepito LIGO e guidato i progetti "iniziale" e "avanzato" di LIGO. Il sostegno finanziario per il progetto "LIGO Avanzato" è stato guidato da NSF insieme con la Germania (Max Planck Society), il Regno Unito (Science and Technology Facilities Council) e l'Australia (Australian Research Council) con impegni e contributi importanti al progetto. Più di 1200 scienziati provenienti da tutto il mondo partecipano all'impresa attraverso la LIGO Scientific Collaboration, che include la GEO Collaboration. Altri partner sono elencati all'indirizzo http://ligo.org/partners.php.

La collaborazione Virgo è costituita da più di 280 fisici e ingegneri appartenenti a 20 diversi gruppi di ricerca europei: sei dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia; otto dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia; due nei Paesi Bassi con Nikhef; l'MTA Wigner RCP in Ungheria; il gruppo POLGRAW in Polonia; la Spagna con l'Università di Valencia e l'Osservatorio Gravitazionale Europeo, EGO, il laboratorio che ospita il rivelatore Virgo vicino a Pisa in Italia, finanziato da CNRS, INFN e Nikhef.

La traduzione dall'inglese dei comunicati stampa dell'ESO è un servizio dalla Rete di Divulgazione Scientifica dell'ESO (ESON: ESO Science Outreach Network) composta da ricercatori e divulgatori scientifici da tutti gli Stati Membri dell'ESO e altri paesi. Il nodo italiano della rete ESON è gestito da Anna Wolter.

Links

• Lista degli autori
• FAQ (PDF file, 184 KB)
• Informazioni utili (PDF file, 105 KB)
• Articolo scientifico 1: “Spectroscopic identification of r-process nucleosynthesis in a double neutron star merger”, by E. Pian et al. in Nature. (PDF file, 196 KB)
• Articolo scientifico 2: “The emergence of a lanthanide-rich kilonova following the merger of two neutron stars”, by N. R. Tanvir et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 843 KB)
• Articolo scientifico 3: “The electromagnetic counterpart to a gravitational wave source unveils a kilonova”, by S. J. Smartt et al. in Nature (PDF file, 9 MB)
• Articolo scientifico 4: “The unpolarized macronova associated with the gravitational wave event GW170817”, by S. Covino et al. in Nature Astronomy (PDF file, 230 KB)
• Articolo scientifico 5: “The Distance to NGC 4993 — The host galaxy of the gravitational wave event GW17017”, by J. Hjorth et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 2.4 MB)
• Articolo scientifico 6: “The environment of the binary neutron star merger GW170817”, by A. J. Levan et al. in Astrophysical Journal Letters (PDF file, 2.6 MB)
• Comunicato stampa LIGO
• Comunicato stampa ESA/Hubble

Contatti

Stephen Smartt
Queen’s University Belfast
Belfast, United Kingdom
Tel.: +44 7876 014103
E-mail: s.smartt@qub.ac.uk

Elena Pian
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Bologna, Italy
Tel.: +39 051 6398701
E-mail: elena.pian@inaf.it

Andrew Levan
University of Warwick
Coventry, United Kingdom
Tel.: +44 7714 250373
E-mail: A.J.Levan@warwick.ac.uk

Nial Tanvir
University of Leicester
Leicester, United Kingdom
Tel.: +44 7980 136499
E-mail: nrt3@leicester.ac.uk

Stefano Covino
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Merate, Italy
Tel.: +39 02 72320475
Cell.: +39 331 6748534
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Anna Wolter (press contact Italia)
Rete di divulgazione scientifica dell'ESO e INAF-Osservatorio Astronomico di Brera
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Tel.: +39 02 72320321
E-mail: eson-italy@eso.org

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Questa è una traduzione del Comunicato Stampa dell'ESO eso1733.