Nel mondo deforme di un buco nero

La Nasa ci stupisce ancora una volta con questa nuova visualizzazione animata di un buco nero. Un’animazione che illustra come la sua gravità sia in grado di distorcere ciò che stiamo guardando, deformando l’ambiente circostante il buco nero come se fosse visto attraverso uno specchio del luna park. La visualizzazione simula l’aspetto di un buco nero in cui la materia in caduta si è raccolta in una struttura sottile e calda chiamata disco di accrescimento. La gravità estrema del buco nero piega la luce emessa da diverse regioni del disco, producendo l’aspetto deformato che vediamo sotto.

Visto quasi di taglio, il turbolento disco di gas che ruota intorno a un buco nero ha un aspetto pazzesco, con una doppia gobba, sopra e sotto. Questo perché l’estrema gravità del buco nero altera i percorsi della luce provenienti da diverse parti del disco, producendo l’immagine deformata, ma ciò che vediamo dipende dal nostro angolo di vista. La massima distorsione si verifica quando si visualizza il sistema quasi lateralmente. Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa / Jeremy Schnittman

Nell’immagine sono evidenti nodi luminosi che si formano e si dissipano costantemente nel disco, mentre i campi magnetici si avvolgono e si attorcigliano attraverso il gas. Più vicino al buco nero, il gas orbita ad una velocità prossima a quella della luce, mentre le zone più esterne ruotano più lentamente. Questa differenza si estende per tutto il disco e separa i nodi luminosi, producendo corsie chiare e scure.

Questa infografica evidenzia e spiega vari aspetti della visualizzazione del buco nero (cliccare per ringrandire). Crediti: Goddard Space Flight Center della Nasa / Jeremy Schnittman, traduzione a cura di Media Inaf

Visto di lato, il disco appare più luminoso a sinistra di quanto non lo sia a destra. Questo perché il gas incandescente sul lato sinistro del disco si muove verso di noi così velocemente che gli effetti della relatività di Einstein inducono un aumento della sua luminosità; il contrario accade sul lato destro, dove il gas che si allontana diventa leggermente più debole. Questa asimmetria scompare quando vediamo il disco esattamente di fronte perché, da quella prospettiva, nessuno dei materiali si muove lungo la nostra linea di vista.

Più vicino al buco nero, la flessione gravitazionale della luce diventa così spinta che possiamo vedere la parte inferiore del disco come un luminoso anello di luce che apparentemente delinea il buco nero. Questo cosiddetto “anello fotonico” è composto i realtà da più anelli, che diventano progressivamente più deboli e più sottili, prodotti dalla luce che ha orbitato attorno al buco nero due, tre o anche più volte prima di riuscire a fuggire e raggiungere i nostri occhi. Poiché il buco nero modellato in questa visualizzazione è sferico, l’anello fotonico appare quasi circolare e identico da qualsiasi angolazione lo si guardi. All’interno dell’anello fotonico si trova l’ombra del buco nero, un’area approssimativamente doppia rispetto all’orizzonte degli eventi, il suo punto di non ritorno.

«Simulazioni e filmati come questi ci aiutano a visualizzare ciò che Einstein aveva compreso, affermando che la gravità deforma il tessuto dello spazio e del tempo», spiega Jeremy Schnittman, che ha prodotto queste splendide immagini utilizzando un software dedicato presso il Goddard Space Flight Center della Nasa. «Fino a poco tempo fa, queste visualizzazioni erano limitate alla nostra immaginazione e ai programmi per computer. Non avrei mai pensato che sarebbe stato possibile vedere un vero buco nero». Ma questo 2019 ci ha regalato l’immagine del secolo, quando il 10 aprile il team di Event Horizon Telescope ha rilasciato la prima immagine in assoluto dell’ombra di un buco nero, usando le osservazioni radio del cuore della galassia M87.

Dicibile e indicibile sui viaggi nel tempo

Dal 22.09.2019 al 25.09.2019

Dal 22 al 25 settembre si terrà a Torino la terza edizione del convegno The Time Machine Factory (TM2019), organizzato dall’Osservatorio astronomico Inaf di Torino, dal Dipartimento di Matematica “G. Peano” dell’Università di Torino e dall’Istituto nazionale di ricerca metrologica (Inrim), dedicato al ruolo della causalità nella relatività generale e nella meccanica quantistica e sull’insorgenza di situazioni in cui essa possa essere potenzialmente violata dando origine a curve temporali chiuse.

Difatti, sebbene le violazioni della cronologia possano sembrare in contraddizione con il senso comune e portare a paradossi logici, le “macchine del tempo” non sono escluse a priori dalle attuali leggi della fisica.

L’interesse per lo studio dei “viaggi nel tempo” pone nuove sfide matematiche e apre nuove frontiere per l’astrofisica che vanno dalla ‘fisica dei buchi neri’ fino alla ‘navigazione spazio-temporale’, nonché nuove basi per esplorare le potenziali applicazioni della metrologia relativistica e quantistica. Maggiori dettagli sul programma scientifico sono reperibili sul sito della conferenza.

Sono previsti anche alcuni appuntamenti aperti al pubblico a cui presenzieranno gli scienziati partecipanti al convegno:

  • Domenica 22, ore 21.30, dibattito e concerto di apertura al Blah Blah, con gli ATEM che sonorizzeranno dal vivo il film Lola Corre;
  • Lunedì 23, ore 20.30, proiezione del film Time Bandits di Terry Gilliam al Cinema Massimo. Precederà una tavola rotonda moderata da Mariateresa Crosta (Inaf) e da Marco Gramegna (Inrim) con Stefano Liberati (Sissa) e Lorenzo Maccone (Università di Pavia), incentrata sui viaggi superluminali e ‘Molti Mondi’.
  • Martedì 24, ore 17.30, presso l’Aula Magna del Rettorato di Via Verdi 8, incontro Women IN Gravities (WINGs). Verrà evidenziato il ruolo delle donne negli ambiti scientifici discussi durante il convegno con Susanna Terracini (Università di Torino), presidentessa fino al 2015 dell’Associazione Europea delle Donne in Matematica, e con Sumati Surya (Raman Research Institute, India), esperta di gravità quantistica, che racconterà anche della sua esperienza come scienziata in India.

A caccia di dark matter nella foresta Lyman-alfa

Simulazioni della Foresta di Lyman-alfa (proiezione della frazione di idrogeno neutro con redshift z = 2 e z = 4.0) Crediti: The Sherwood Simulation Suite

In cerca di risposte sull’origine del cosmo tra foreste e ragnatele cosmiche che popolano lo spazio profondo. «Abbiamo testato uno scenario in cui la materia oscura è composta da buchi neri non stellari, ma formati nell’universo primordiale», dice Riccardo Murgia, primo autore di uno studio recentemente pubblicato su Physical Review Letters insieme ai colleghi Giulio Scelfo e Matteo Viel della Sissa – Scuola internazionale superiore di studi avanzati, dell’Infn sezione di Trieste e associato Inaf, e ad Alvise Raccanelli del Cern di Ginevra.

I buchi neri primordiali (Pbh – Primordial Back Holes per i cosmologi) sono oggetti formatisi frazioni di secondo dopo il Big Bang, ritenuti da molti studiosi tra i principali candidati nello spiegare la natura della materia oscura, soprattutto dopo le osservazioni dirette di onde gravitazionali da parte dei rilevatori Virgo e Ligo nel 2016. «I Pbh sono per il momento ancora oggetti ipotetici, ma sono previsti in alcuni modelli dell’universo primordiale”, precisa Raccanelli del Cern. «Inizialmente proposti da Stephen Hawking nel 1971, sono tornati alla ribalta negli ultimi anni come possibili candidati per spiegare la materia oscura. Si crede che questa sia circa l’80 per centodi tutta la materia presente nell’universo, per cui spiegarne anche una piccola parte sarebbe un risultato importantissimo. Inoltre, cercare prove dell’esistenza di Pbh o escludere che esistano ci fornisce informazioni di grande rilevanza sulla fisica dell’universo primordiale».

In questo lavoro gli scienziati si sono concentrati in particolare sull’abbondanza di Pbh più massivi di 50 volte la massa del sole. In pratica, i ricercatori hanno cercato di definire meglio alcuni parametri legati alla loro presenza (massa e abbondanza per la precisione) analizzando l’interazione della luce emessa da lontanissimi quasar con la ragnatela cosmica (la cosiddetta “cosmic web”), una rete di filamenti composta da gas e materia oscura presente in tutto l’Universo. All’interno di questa fitta trama, gli studiosi si sono concentrati sulla “foresta Lyman-alfa”, ovvero l’insieme delle interazioni dei fotoni con l’idrogeno dei filamenti cosmici, che presenta delle caratteristiche strettamente legate alla natura fondamentale della materia oscura.

Attraverso simulazioni effettuate con il supercomputer Ulysses di Sissa e Ictp, sono state riprodotte le interazioni tra fotoni e idrogeno e confrontate con interazioni “reali”, rilevate dal telescopio Keck (nelle Hawaii). I ricercatori hanno così potuto tracciare alcune proprietà dei buchi neri primordiali che permettono di capire gli effetti della loro presenza.

«Abbiamo simulato al computer la distribuzione di idrogeno neutro a scale subgalattiche, che si manifesta sotto forma di righe di assorbimento negli spettri di sorgenti lontane», continua Murgia. «Confrontando con i dati osservativi i risultati delle nostre simulazioni è pertanto possibile stabilire dei limiti sulla massa e l’abbondanza dei buchi neri primordiali e determinare se e in che misura tali candidati possano costituire la materia oscura». I risultati dello studio sembrano sfavorire il caso che tutta la materia oscura sia composta da un certo tipo di buchi neri primordiali (quelli con una massa maggiore di 50 volte la massa solare) ma non escludono del tutto che potrebbero costituirne una frazione. «Abbiamo sviluppato un nuovo metodo che permette di esplorare in maniera semplice ed efficiente scenari alternativi al modello cosmologico standard, secondo cui la materia oscura sarebbe invece composta da particelle che chiamate WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)».

Questi risultati, importanti per la costruzione di nuovi modelli teorici e l’elaborazione di nuove ipotesi sulla natura della materia oscura, offrono una serie di indicazioni molto più precise per tracciare l’intricato percorso verso la comprensione di uno dei più grandi misteri del cosmo.

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Tre pasti al giorno per il buco nero dello Scultore

La sorgente Gsn 069. Crediti: X-ray: Nasa/Cxo/Csic-Inta/G.Miniutti et al.; Optical: Dss

È la sera della vigilia di Natale, il 24 dicembre 2018. Il telescopio per alte energie Xmm-Newton dell’Esa è al lavoro come sempre – o, più esattamente, come da 20 anni a questa parte, essendo stato lanciato nel dicembre 1999. Sta osservando, in direzione della costellazione dello Scultore, la sorgente Gsn 069: una galassia a 250 milioni di anni luce da noi che ospita, nel suo cuore, un buco nero da circa 400mila volte la massa del Sole – dunque piuttosto piccolo per gli standard dei buchi neri supermassicci. Piccolo ma stranamente inquieto. I sensori di Xmm-Newton registrano infatti, quella sera, un cambiamento repentino nella sua emissione di energia: un incremento di ben cento volte rispetto al valore consueto. L’emissione in banda X rimane a livello così elevato per circa un’ora, poi scende a livelli normali. Ma dopo nove ore eccola risalire nuovamente. Non è un comportamento normale. Un po’ di tremolio ci sta, l’emissione dei buchi neri supermassicci è in questo senso simile alla luce di una candela. Ma un cambiamento così rapido è una novità.

Novità che, complice il periodo natalizio, viene però recepita dagli scienziati solo qualche giorno dopo. Siamo già nel 2019, al rientro dalle vacanze. Quando l’astrofisico Giovanni Miniutti – alle spalle un dottorato alla Sapienza e oggi ricercatore al Centro de Astrobiología di Madrid, in Spagna – si accorge, analizzando i dati raccolti dal satellite Esa, di trovarsi davanti a un oggetto dal comportamento del tutto inedito.

«Questo buco nero segue un “piano alimentare” che non abbiamo mai visto prima», dice Miniutti, primo autore dell’articolo che riporta oggi su Nature il risultato. «È un comportamento senza precedenti, il suo, al punto che abbiamo dovuto coniare una nuova espressione per descriverlo: eruzioni quasi periodiche a raggi X».

Per essere certi che non si tratti di un evento episodico, Miniutti e il suo team hanno bisogno di nuovi dati, di maggiori osservazioni. Ma occorre agire in fretta, perché la galassia sta scivolando rapidamente dietro al Sole, dove il telescopio spaziale per raggi X non potrà più vederla per quasi quattro mesi. E per agire così in fretta c’è un modo soltanto: fare direttamente appello al direttore di Xmm-Newton, chiedendo di poter usufruire del cosiddetto ‘Ddt” – il Director’s Discretionary Time, tempo di utilizzo del telescopio che il direttore può concedere, appunto, a sua discrezione. La richiesta è approvata, e proprio l’ultimo giorno prima del “blocco solare”, il 16 gennaio, gli specchi cilindrici ricoperti d’oro di Xmm-Newton volgono di nuovo lo sguardo verso lo Scultore. Questa volta l’osservazione dura ben 38 ore: più che sufficienti a confermare l’incredibile periodicità dell’emissione. Conferma rafforzata – qualche settimana più tardi, il giorno di San Valentino – dalle osservazioni di un altro telescopio spaziale per raggi X: l’osservatorio Chandra della Nasa.

Se sulla descrizione del fenomeno, per quanto bizzarro, sembrano esserci dunque ormai pochi dubbi, la spiegazione sul perché avvenga è invece ancora avvolta nelle nebbie. Da un lato, gli scienziati sono concordi nell’affermare che il periodo relativamente breve – nove ore – è dovuto alla massa relativamente ridotta – 400mila masse solari, appunto – del buco nero. E sottolineano come quest’osservazione suggerisca che anche i buchi neri supermassici più grandi – di solito hanno una stazza che va dai milioni ai miliardi di masse solari – possano esibire un comportamento analogo. Solo, con periodi molto più lunghi – mesi, anni – e di conseguenza molto più difficili da intercettare. Ciò su cui invece c’è grande perplessità è il processo fisico che sta dietro a queste ‘Qpe’ (dalle iniziali di quasi-periodic emission): cosa può mai indurre un buco nero come questo al centro di Gsn 069 a brillare a intermittenza, in luce X, come se avesse ogni volta trangugiato l’equivalente in materia di quattro volte la nostra Luna?

I due autori italiani dello studio, Margherita Giustini e Giovanni Miniutti, oggi entrambi a Madrid. Crediti: Marco Malaspina / Media Inaf

«Riteniamo che all’origine dell’emissione di raggi X vi sia una stella che il buco nero ha parzialmente o completamente fatto a pezzi, e che sta lentamente consumando. Ma per quanto riguarda le esplosioni ripetute, al momento abbiamo solo ipotesi», spiega a Media Inaf una delle coautrici dello studio, Margherita Giustini, originaria di Jesi, laurea e dottorato a Bologna e oggi anche lei ricercatrice al Centro de Astrobiología di Madrid. «Una possibilità che stiamo prendendo in considerazione è che si tratti di una vera e propria instabilità del flusso di materia che cade nel questo buco nero, instabilità che ogni nove ore si ripete. Un’altra possibilità è che, quando questa sorgente si è “accesa” – e sappiamo che si è accesa in qualche momento tra gli anni Novanta e il 2010 – si sia “mangiata” una stella senza però consumarla interamente: un residuo di questa stella potrebbe stare ancora orbitando attorno al buco nero, e magari interagendo con un piccolo disco di accrescimento. Ogni volta che questo frammento di stella incontra il disco ecco, allora, che potrebbe generare un’eruzione di raggi X».

Quale che sia la spiegazione, la speranza dei ricercatori è che questa scoperta li potrà aiutare a svelare il cosiddetto “mistero dell’eccesso di raggi X soft”, quelli più blandi, ovvero proprio la componente la cui emissione varia in modo regolare e repentino nel buco nero di Gsn 069. «Vedere questa componente nascere e morire in un’ora, e poter seguire questo fenomeno per lungo tempo, ci permette di studiare in dettaglio come si forma e come decade, e dunque comprenderne meglio l’origine fisica», conclude Miniutti, in questi giorni in Italia insieme a Giustini per il congresso X-Ray Astronomy 2019.

Per saperne di più:

Guarda su MediaInaf Tv l’intervista a Giovanni Miniutti e a Margherita Giustini:

Tre milioni di dollari ai “fotografi“ del buco nero

Elisabetta Liuzzo (sx) e Kazi Rygl (dx). Crediti: Media Inaf

Il premio Breakthrough 2020 per la Fisica fondamentale è stato assegnato alla collaborazione dell’Event Horizon Telescope (Eht) “per la prima immagine di un buco nero supermassiccio grazie a una rete di telescopi su scala globale”. Nel team che verrà ufficialmente premiato il 3 novembre prossimo all’Ames Research Center della Nasa a Mountain View, in California, fanno parte le ricercatrici dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl.

Giunto alla sua ottava edizione, il Breakthrough Prize, noto come “Oscar della scienza”, premia ogni anno le ricerche e le scoperte più importanti nelle scienze della vita, nella fisica e nella matematica. I soci finanziatori della Breakthrough Prize Foundation sono Sergey Brin, Priscilla Chan, Mark Zuckerberg, Ma Huateng, Yuri e Julia Milner, Anne Wojcicki. Considerato il premio scientifico più generoso al mondo, ogni Breakthrough Prize ammonta a 3 milioni di dollari. Questo importo verrà equamente ripartito tra i 347 scienziati che hanno firmato i sei articoli scientifici pubblicati dalla collaborazione Eht il 10 aprile 2019.

Elisabetta Liuzzo è raggiante: «La notizia del premio è stata inaspettata e sorprendente! Costituisce l’ennesima conferma dei traguardi incredibili che più di trecento persone possono raggiungere insieme. È un onore essere parte di questa collaborazione internazionale e un privilegio aver avuto l’opportunità di contribuire a questi risultati». Le fa eco Kazi Rygl: «È fantastico aver ottenuto questo riconoscimento pubblico facendo ciò che ci piace. Un raggiungimento straordinario per la nostra collaborazione che premia lo sforzo di tanti scienziati ed ingegneri appassionati sparsi in tutto il globo. Ad meliora et maiora semper

«È con grande soddisfazione che apprendiamo questa notizia, sia per l’importante risvolto scientifico di questo risultato, sia soprattutto per il suo rilievo tecnologico: il Breakthrough Prize è infatti un premio alle innovazioni che portano svolte radicali, e l’Inaf anche in questo caso è protagonista, confermando ancora una volta le sue eccellenze a livello internazionale» sottolinea il presidente dell’Istituto nazionale di astrofisica, Nichi D’Amico.

Il buco nero supermassiccio al centro di Messier 87. Crediti: The Event Horizon Telescope

L’Event Horizon Telescope è un gruppo di otto radiotelescopi da Terra che opera su scala planetaria, nato grazie a una collaborazione internazionale e progettato con lo scopo di catturare le immagini di un buco nero. Obiettivo che è stato raggiunto e presentato il 10 aprile scorso, quando è stata mostrata al pubblico la prima immagine di un buco nero supermassiccio, quello al centro di Messier 87, un’enorme galassia situata nel vicino ammasso della Vergine. Questo buco nero dista da noi 55 milioni di anni luce e ha una massa pari a 6,5 miliardi e mezzo di volte quella del Sole.

L’Inaf ha un importante coinvolgimento nella rivoluzionaria osservazione come parte del progetto europeo BlackHoleCam (Bhc), il cui project Scientist è l’italiano Ciriaco Goddi, già in forza all’Inaf e attualmente ricercatore presso la Radboud University nei Paesi Bassi, nonché segretario del consiglio scientifico del consorzio Eht. Elisabetta Liuzzo e Kazi Rygl dell’Istituto nazionale di astrofisica a Bologna sono due ricercatrici del nodo italiano dell’Alma Regional Centre, uno dei sette che compongono la rete europea che fornisce supporto tecnico-scientifico agli utenti di Alma, e che è ospitato proprio presso la sede dell’Inaf – Istituto di radioastronomia a Bologna. Nel 2018 entrambe sono entrate a far parte del progetto Bhc finanziato dall’Erc come partner del progetto Eht, e fanno a tutti gli effetti parte dell’Event Horizon Telescope Consortium, in cui sono membri dei gruppi di lavoro che si occupano di calibrazione e imaging. A completare la squadra italiana coinvolta nel progetto Eht ci sono Luciano Rezzolla, astrofisico della Goethe University di Francoforte nonché principal investigator di BlackHoleCam, e Mariafelicia De Laurentis, dell’Università Federico II di Napoli e associata Infn.

Guarda il servizio video su MediaInaf Tv:

Osservati i primi istanti di vita di una kilonova

Rappresentazione artistica di due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come kilonova. Crediti: Eso/L. Calçada/M. Kornmesser

Gw 170817 non smette di sorprenderci. Grazie a quella prima rilevazione di un’onda gravitazionale generata durante la fusione di due stelle di neutroni e associata a un breve e debole lampo gamma, è stato possibile “rileggere” i dati riferiti a un lampo gamma osservato nell’agosto 2016, trovando nuove prove della nascita di una kilonova che sarebbe passata inosservata durante le osservazioni iniziali.

Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, è stato realizzato da un team guidato dall’italiana Eleonora Troja, ricercatrice del Dipartimento di astronomia dell’Università del Maryland, e vede Roberto Ricci dell’Inaf di Bologna, Andrea Tiengo e Giovanni Novara della Scuola universitaria superiore Iuss di Pavia e associati all’Inaf, tra i co-autori.

Gli astronomi ipotizzano che buona parte dell’oro e del platino presenti sulla Terra si siano formati come risultato di antiche kilonove nate dalla collisione di stelle di neutroni. La fusione rilevata nel 2017 degli osservatori per onde gravitazionali Ligo e Virgo ha dato origine a una kilonova, fornendo la prima prova convincente che le kilonove producono grandi quantità di metalli pesanti e confermando le previsioni teoriche.

Sulla base dei dati rilevati nell’evento del 2017, gli astronomi hanno iniziato a capire meglio come una kilonova dovrebbe apparire a chi la osserva da terra. Troja e il suo team hanno quindi riesaminato i dati riferiti a un lampo di raggi gamma esploso nell’agosto 2016 trovando le tracce di una kilonova che erano sfuggite a una prima analisi delle osservazioni iniziali.

Eleonora Troja, prima autrice dello studio, ricercatrice all’Università di Maryland, e Roberto Ricci, ricercatore all’Inaf  di Bologna

«L’evento del 2016 è stato molto entusiasmante. Era vicino e visibile da tutti i principali telescopi, compreso il telescopio spaziale Hubble della Nasa e dell’Esa. Ma non corrispondeva alle nostre previsioni: ci aspettavamo di vedere l’emissione infrarossa diventare sempre più brillante nell’arco di diverse settimane», dice Eleonora Troja, che ha anche un incarico anche presso il Goddard Space Flight Center della Nasa. «Dieci giorni dopo l’evento, non era rimasto quasi nessun segnale. Eravamo tutti molto delusi. Poi, a un anno di distanza, si è verificato l’evento rilevato con Ligo e Virgo. Abbiamo guardato i nostri vecchi dati con occhi nuovi e ci siamo resi conto di aver visto una kilonova nel 2016. I due eventi coincidevano quasi perfettamente. I dati a infrarossi per entrambi gli eventi hanno luminosità simili ed esattamente la stessa scala temporale».

Secondo Troja, le informazioni raccolte nel corso dell’evento del 2016 non contengono così tanti dettagli quanto le osservazioni dell’evento rilevato da Ligo e Virgo, ma a fare la differenza è la copertura delle prime ore dell’evento, che manca nelle osservazioni dell’evento del 2017. Quei dati hanno rivelato nuove e importanti informazioni sulle prime fasi di vita di una kilonova. Il team ha potuto osservare per la prima volta il nuovo oggetto prodotto dopo la collisione, che non era visibile nei dati dell’evento Ligo/Virgo.

Il Neil Gehrels Swift Observatory della Nasa ha iniziato infatti a monitorare l’evento del 2016, noto come Grb 160821B, a pochi minuti dalla sua rilevazione. Questo ha permesso al gruppo di ricerca di raccogliere nuove informazioni non disponibili per l’evento Ligo/Virgo, che ha avuto inizio solo 12 ore dopo la collisione iniziale.

Le somiglianze tra i due eventi suggeriscono che anche la kilonova del 2016 sia nata dalla fusione di due stelle di neutroni. Le kilonove potrebbero anche essere l’esito della fusione di un buco nero e di una stella di neutroni, ma non è noto se un tale evento potrebbe dare una firma diversa nelle osservazioni a raggi X, infrarossi, radio e luce visibile.

«Il residuo potrebbe essere una stella di neutroni ipermassiva altamente magnetizzata, nota come magnetar, che è sopravvissuta alla collisione e poi è collassata in un buco nero», dice Geoffrey Ryan, postdoctoral fellow dello Joint Space-Science Institute (Jsi), anche lui in forze al Dipartimento di astronomia dell’Università del Maryland e co-autore dell’articolo. «Questo è interessante perché la teoria suggerisce che una magnetar dovrebbe rallentare o addirittura arrestare la produzione di metalli pesanti, che è l’origine della luce infrarossa di una kilonova. La nostra analisi suggerisce che i metalli pesanti sono in qualche modo in grado di sfuggire all’influenza dell’oggetto residuo».

«L’analisi dei dati di questo evento si inserisce nel solco degli studi fatti a seguito di Gw 170817 e arricchisce la nostra comprensione di come avvengono queste grandi esplosioni cosmiche. Il mio ruolo è stato l’analisi dei dati radio del Very Large Array da cui è risultata visibile l’emissione di uno shock inverso nel getto del lampo gamma, non sempre rivelabile in osservazioni di follow-up», sottolinea Roberto Ricci, co-autore dello studio in forze all’Inaf di Bologna.

Il gruppo della Scuola universitaria superiore Iuss di Pavia, che collabora da diversi anni su questi temi con l’Inaf, si è invece occupato dell’analisi dei dati del satellite dell’Esa Xmm-Newton, che hanno permesso di studiare l’emissione di raggi X fino a circa 10 giorni dopo il lampo gamma. «Le osservazioni con Xmm-Newton, insieme a quelle ottenute nella banda radio, sono state fondamentali per caratterizzare l’emissione generata dal getto del lampo gamma, che contamina pesantemente l’emissione della kilonova nella banda ottica e infrarossa. Solo così è stato possibile studiare un segnale davvero pulito», aggiunge Andrea Tiengo.

Troja e i suoi colleghi prevedono di applicare quanto appreso per rivalutare gli eventi passati, migliorando al contempo il loro approccio alle osservazioni future. Sono stati identificati diversi eventi candidati con osservazioni in banda ottica, ma la scienziata è più interessata a eventi che abbiano una forte firma nell’infrarosso, indicatore spia della produzione di metalli pesanti.

«Il segnale infrarosso molto luminoso di questo evento lo rende la kilonova più chiaramente osservata nell’universo lontano», conclude Troja. «Sono molto interessata a come le proprietà della kilonova cambino in base ai diversi progenitori e ai residui finali. Osservando un numero maggiore di questi eventi, possiamo imparare che ci sono molti tipi diversi di kilonove tutti nella stessa famiglia, come sappiamo già essere per le supernove. È davvero entusiasmante poter costruire le nostre conoscenze in tempo reale».

Per saperne di più:

  • Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “The afterglow and kilonova of the short GRB 160821B, di E. Troja, A. J. Castro-Tirado, J. Becerra González, Y. Hu, G. S. Ryan, S. B. Cenko, R. Ricci, G. Novara, R. Sánchez-Rámirez, J. A. Acosta-Pulido, K. D. Ackley, M. D. Caballero García, S. S. Eikenberry, S. Guziy, S. Jeong, A. Y. Lien, I. Márquez, S. B. Pandey, I. H. Park, T. Sakamoto, J. C. Tello, I. V. Sokolov, V. V. Sokolov, A. Tiengo, A. F. Valeev, B. B. Zhang e S. Veilleux

Un insolito candidato per la materia oscura

Gli esperimenti finora condotti negli acceleratori di particelle, come il Large Hadron Collider del Cern di Ginevra, hanno confermato il Modello Standard, teoria che unifica tre delle quattro forze fondamentali (forza forte, forza debole e forza elettromagnetica). Si potrebbe credere lo scenario ideale per un fisico, vedere confermata la teoria, ma in questo caso è il contrario.

Il Modello Standard infatti, per quanto solido, non è ancora abbastanza. Non riesce a unificare alle altre la quarta forza fondamentale, la gravità, per esempio; non prevede massa per i neutrini, né l’esistenza della materia oscura. Serve qualcos’altro dunque, qualche osservazione sperimentale che metta sulla traccia di una “nuova fisica”, in grado di abbracciare e superare il Modello Standard.

Esistono alcune teorie, ancora non dimostrate sperimentalmente, che provano a unificare la forza gravitazionale alle altre tre, includendo una trattazione quantistica della gravità. Abbiamo recentemente parlato di una di queste teorie, la supergravità, i cui “padri”, l’italiano Sergio Ferrara (Cern e associato Infn) l’americano Daniel Z. Freedman (Mit e Stanford University) e l’olandese Peter van Nieuwenhuizen (Stony Brook University), sono stati insigniti del premio Breakthrough 2019, una sorta di premio Oscar della fisica.

La supergravità unisce la relatività generale alla supersimmetria, teoria che assegna una particella partner ad ognuna delle particelle elementari finora conosciute. All’elettrone corrisponderebbe un (super)partner di nome selettrone, al quark uno squark, al gluone un gluino, al gravitone un gravitino. E così via. Osservare questi superpartner negli acceleratori di particelle darebbe il via a quella “nuova fisica” tanto agognata e porterebbe un passo più vicini alla grande unificazione delle quattro forze fondamentali. Oppure lascerebbe intravedere qualche particella ancora sconosciuta che si riveli il candidato ideale per la materia oscura.

Krzysztof Meissner, Università di Varsavia

Uno studio, condotto da Krzysztof A. Meissner, della University of Warsaw, e Hermann Nicolai, direttore del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam, e da poco apparso sulla rivista Physical Review Letters, ipotizza l’esistenza di un gravitino supermassiccio come candidato per la materia oscura e fornisce anche un metodo per rivelarlo.

«L’idea comune è che la materia oscura sia formata da una particella elementare che non è stato ancora possibile rilevare perché interagisce con la materia ordinaria quasi esclusivamente attraverso la forza gravitazionale», spiega Nicolai. «In particolare, il nostro modello prevede l’esistenza di un gravitino massiccio, che – diversamente dai soliti candidati (assioni e Wimp) e diversamente dal gravitino leggero teorizzato finora – interagirebbe fortemente ed elettromagneticamente con la materia ordinaria».

Meissner e Nicolai esplorano la supersimmetria con un cambio di prospettiva. Non alle basse energie, trattazione dalla quale scaturisce il gravitino leggero teorizzato finora, ma alle alte energie, che portano alla presunta esistenza di un gravitino più massiccio. La massa di questa ipotetica particella è dell’ordine della massa di Planck, cioè più o meno un centomilionesimo di chilogrammo. Per quanto possa sembrare assurdo, questa è una massa notevole per un particella: per confronto, il protone è 10 miliardi di miliardi di volte meno massiccio.

Che le particelle candidate ad essere la materia oscura siano così massicce significa che non possono essere troppo abbondanti nell’universo, altrimenti ci sarebbe troppa massa, più di quella che si deduce dall’osservazione. Secondo questo modello basterebbe un gravitino supermassiccio ogni 10mila chilometri cubi per giustificare la quantità di materia oscura misurata nell’universo.

Hermann Nicolai, Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam

Se queste particelle esistessero e fossero in grado di interagire anche elettromagneticamente, sarebbero certo più facili da rivelare. Meissner e Nicolai suggeriscono di usare l’intero pianeta Terra come strumento di paleo-rivelazione.

Particelle massicce come questi gravitini si muoverebbero a velocità notevolmente più basse della velocità della luce, ma riuscirebbero comunque ad attraversare oggetti come un pianeta in virtù proprio della loro massa. Nei corso dei quattro miliardi e mezzo di anni circa in cui ha percorso la sua orbita attorno al Sole, la Terra dovrebbe aver subìto l’attraversamento di qualche gravitino.

«Le radiazioni ionizzanti causano difetti reticolari nelle strutture cristalline. Potrebbe essere possibile rilevare reliquie di tali tracce di ionizzazione in cristalli che rimangono stabili per milioni di anni», spiega Nicolai.

Anzi, proprio grazie a questo lungo “tempo di esposizione”, tale strategia di ricerca potrebbe anche avere successo nel caso in cui la materia oscura non sia distribuita in modo omogeneo all’interno delle galassie ma soggetta a fluttuazioni di densità locale. Cosa che potrebbe anche spiegare il fallimento registrato finora dalle ricerche per i candidati più convenzionali della materia oscura.

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Cern ed Esa insieme per lo studio delle radiazioni

L’11 luglio scorso il Cern e l’Esa hanno sottoscritto un accordo di collaborazione per affrontare insieme la sfida di operare in ambienti con radiazioni pericolose, come quelle presenti sia nei laboratori di fisica delle particelle che nello spazio. L’accordo riguarda ambienti radioattivi, strutture e tecnologie con potenziali applicazioni sia per i sistemi spaziali sia per gli acceleratori o gli esperimenti di fisica delle particelle.

Questo primo protocollo di attuazione della cooperazione bilaterale Cern-Esa copre una vasta gamma di attività, da aspetti generali quali il coordinamento, il finanziamento e lo scambio di personale, a un elenco di impianti di produzione di radiazioni per attività di R&D congiunte. L’accordo esplicita inoltre la volontà da parte di entrambe le organizzazioni di sostenere gli studenti di dottorato che lavorano su campi d’interesse comune concernenti le radiazioni.

L’accordo identifica sette progetti specifici con priorità elevata: test con elettroni ad alta energia; test con ioni pesanti ad alta penetrazione; valutazione di conformità della componentistica e dei moduli commerciali (Cots) per Extreme Energy Events; dimostrazione della tecnologia in orbita; componentistica e moduli radiation-hard e radiation-tolerant; rilevatori, monitor e dosimetri per radiazioni; e strumenti di simulazione per gli effetti delle radiazioni.

In alcuni casi, sono già stati raggiunti importanti risultati preliminari: nella facility Clear/Vesper del Cern sono stati eseguiti test con elettroni ad alta energia per la missione Juice, per simulare l’ambiente di Giove. Sempre al Cern, nella Sps North Area, sono stati inoltre testati componenti complessi con ioni di xeno e di piombo, per un’analisi approfondita degli effetti dei raggi cosmici galattici. Queste attività proseguiranno, e le nuove attività saranno attuate sotto il coordinamento del Cern-Esa Committee on Radiation Issues.

La “terza via” alla costante di Hubble si accorcia

Illustrazione artistica di due stelle di neutroni che si fondono. Crediti: Nsf/Ligo/Sonoma State University/A. Simonnet

La soluzione alla controversia sul valore della costante di Hubble – 67 come calcola Planck, o 74 come sembrerebbe emergere dalle osservazioni astrofisiche? – potrebbe arrivare dalle onde gravitazionali. In particolare, da eventi di fusione fra stelle di neutroni, come quello celebre noto con la sigla Gw 170817. Questo già lo si sapeva, ne avevamo scritto anche su queste pagine: potendo stimare la distanza dell’evento sia attraverso i dati gravitazionali (con interferometri come Ligo e Virgo) che attraverso i tradizionali dati elettromagnetici (con i telescopi), è infatti possibile ottenere una misura indipendente, del tutto autonoma rispetto al modello cosmologico adottato, da una parte, e dall’altra alla scala delle distanze cosmiche. Il problema, però, sta in quanti di questi eventi occorre osservare per arrivare a una misura sufficientemente precisa da essere davvero utile: i calcoli dicono tra i 50 e 100 eventi. Non pochi, considerando che fino a oggi ne è stato osservato uno soltanto – Gw 170817, appunto.

Ora però è stato realizzato un nuovo studio, pubblicato oggi su Nature Astronomy, che mostra come – conoscendo l’orientamento del piano orbitale della coppia di stelle di neutroni rispetto a noi osservatori – il numero di eventi necessario potrebbe scendere drasticamente. «Riteniamo che per risolvere il problema potrebbero essere sufficienti altri 15 eventi di questo tipo, osservati sia con le onde gravitazionali che con i radiotelescopi», dice il primo autore dell’articolo, Kenta Hotokezaka, della Princeton University, riferendosi appunto a eventi come Gw 170817.

«Avere una stima precisa di quanto sia inclinato rispetto a noi il piano sul quale orbitano l’una attorno all’altra le due stelle di neutroni – o la stella di neutroni e il buco nero – fa un’enorme differenza», spiega a Media Inaf Paolo D’Avanzo dell’Inaf di Brera, coordinatore della parte operativa del team Inaf Grawita e membro del governing council di Engrave dell’Eso, al quale ci siamo rivolti per un commento, «perché l’inclinazione ha effetto sull’intensità delle onde gravitazionali che registriamo sulla Terra: si “vedono” meglio se il sistema binario in coalescenza è face-on, cioè se siamo perpendicolari al piano orbitale».

«Il vantaggio di Gw 170817», continua D’Avanzo, «è che questa misura dell’orientamento esiste. Per effettuarla è stato necessario attendere circa un anno dopo l’evento, ma alla fine ci si è riusciti – grazie a osservazioni radio del getto, emesso a seguito della fusione, condotte con la tecnica Vlbi: la stessa adottata per la famosa fotografia al buco nero. Osservazioni descritte in due lavori importanti – uno guidato da Giancarlo Ghirlanda dell’Inaf e l’altro da Kunal Moolay del Caltech – che hanno permesso di stabilire, rispettivamente, quanto fosse collimato il getto e quanto fosse fuori asse rispetto a noi osservatori. Ora, dato che il getto è perpendicolare al piano sul quale orbitavano le sorgenti del sistema binario, ecco che è stato possibile calcolare l’inclinazione di quest’ultimo».

Le linee continue mostrano, rispettivamente, la distribuzione di H0 ottenibile dall’osservazione di eventi di coalescenza con i soli dati gravitazionali (arancione) o con la combinazione fra dati gravitazionali e osservazioni Vlbi (blu). Le barre verticali verdi e salmone mostrano invece, rispettivamente, gli intervalli ottenuti da Planck e dalle misure astrofisiche con supernove. Fonte: K. Hotokezaka et al., Nature Astronomy (2019); https://arxiv.org/abs/1806.10596

E di quanto è migliorata, la precisione sulla stima della costante di Hubble conseguita grazie alla conoscenza precisa dell’orientamento del sistema binario di Gw 170817? Non di poco (vedi grafico qui a fianco): si è passati da un valore di 74 km/s per megaparsec con barre d’errore che andavano da 66 a 90 (misura da onde gravitazionali) al valore 70.3 km/s per megaparsec con barre d’errore che vanno da 65.3 a 75.6, ottenuto grazie appunto alla conoscenza dell’inclinazione, riportato oggi su Nature Astronomy. Un intervallo ancora troppo ampio per poter risolvere la tensione fra stime cosmologiche e stime astrofisiche, ma incredibilmente preciso se solo pensiamo alla sfida tecnologica pazzesca rappresentata da una misura di onde gravitazionali.

Dunque occorrono almeno altri 15 eventi “multimessageri”. Con il run O3 in corso, il più sensibile di sempre, quanti è ragionevole attendersene? Basta dare un’occhiata al database pubblico per farsene un’idea. «Dal primo aprile a oggi sono già stati rivelati 15 eventi di coalescenza fra coppie di buchi neri, dunque grosso modo uno a settimana», dice D’Avanzo, «ma fra coppie di stelle di neutroni – come nel caso di Gw 170817 – il numero è molto più basso, due soltanto: uno il 25 aprile, fra due stelle di neutroni, e l’altro il 26 aprile, forse fra una stella di neutroni e un buco nero. Il vero problema, però, è che per nessuno di questi due eventi è stato possibile osservare la controparte elettromagnetica, come invece riuscimmo a fare con Gw 170817. E senza la controparte, per il calcolo della costante di Hubble di cui stiamo parlando, non sono utilizzabili, perché occorrono due misure indipendenti».

Insomma, il metodo è assai promettente, ma serviranno molta tenacia e pazienza per arrivare a raccogliere i dati richiesti.

Per saperne di più:

Segnali radio polarizzati emessi da un Grb

Rappresentazione artistica del getto emesso dal Grb 190114C. Crediti: Tanmoy Laskar/University of Bath

Quelle rilevate dal team di ricerca del Ciera, il Northwestern’s Center for Interdisciplinary and Exploratory Research in Astrophysics (Usa), sono onde radio polarizzate provenienti da una lontana esplosione cosmica. E non un’esplosione qualsiasi, ma una delle esplosioni più energetiche che si conoscano: un gamma ray burst (Grb). Esplosioni di raggi gamma che avvengono a seguito del collasso di una stella molto più massiccia del nostro Sole in un buco nero. Potremmo dire, la manifestazione dell’ultimo suo sospiro. Una sorta di giochi d’artificio cosmici che, a differenza di quelli interminabili ai quali ci può capitare di assistere durante le feste patronali, durano molto poco. Per i cosiddetti “long Grb, quelli di più lunga durata, parliamo al massimo di qualche decina di secondi. Questi Grb producono getti di materia che viaggiano a velocità prossime a quella della luce e brillano di una luminosità pari a quella di più di un miliardo di soli messi insieme.

Capire come esattamente si formino questi getti e perché sembrino formarsi solo con i Grb – e non con altri fenomeni esplosivi, come per esempio le normali supernove – rappresenta tutt’ora una sfida. Grazie all’elevata luminosità dei getti alle lunghezze d’onda radio, però, la scoperta di segnali radio polarizzati può ora offrire nuovi indizi per aiutare a chiarire il mistero.

La polarizzazione è una caratteristica della radiazione elettromagnetica che descrive l’orientamento del campo elettrico lungo il quale le onde elettromagnetiche oscillano mentre si propagano. Se le onde sono tante, questi campi, normalmente, sono orientati indistintamente in tutte le direzioni. Ma in alcune circostanze, ad esempio in presenza di un campo magnetico, le oscillazioni tendono a preferire un orientamento particolare: in questi casi diciamo che la luce è polarizzata. Un po’ come quando un vigile gestisce il traffico urbano incanalando i veicoli in una unica direzione, il campo magnetico “ordina” la direzione del campo elettrico lungo la quale le onde provenienti dal getto oscillano mentre si propagano, rendendo così polarizzata la luce. Ecco dunque che lo studio della polarizzazione permette di ottenere informazioni sul campo magnetico che ne è all’origine, su come è organizzato e strutturato in un getto.

Il lampo gamma osservato dai ricercatori del Ciera si chiama Grb 190114C, dove 19 è l’anno, il 2019, 01 è il mese, gennaio, il 14 è il giorno in cui il lampo – avvenuto più di 4.5 miliardi di anni fa, in una galassia distante 7 miliardi di anni luce – è stato intercettato dagli “occhi” sensibili ai raggi gamma del satellite della Nasa Swift, il quale ha immediatamente inviato agli astronomi segnali di alert indicando una provenienza in direzione della costellazione della Fornace. Ed è un lampo gamma del quale già abbiamo avuto occasione di parlare qui su Media Inaf, in quanto potrebbe trattarsi del primo Grb mai rilevato anche con telescopi Cherenkov.

Ma torniamo allo studio ora pubblicato su Apj dal team del Ciera. I ricercatori, subito dopo aver ricevuto l’allerta di Swift, hanno puntato le antenne radio di Alma, l’Atacama Large Millimeter Array, nella direzione di provenienza del Grb e hanno tentato di osservare i getti provenienti dall’esplosione in luce polarizzata. In particolare, poiché le antenne di Alma sono sensibili alla banda radio – hanno tentato di osservare onde radio polarizzate linearmente, utili per estrarre informazioni sul valore del campo magnetico.

Quella che i ricercatori hanno misurato è stata una polarizzazione dello 0.8 per cento: molto debole, ma comunque presente. Un segnale che, secondo gli autori dello studio, implicherebbe regioni di campo magnetico grandi più o meno come il Sistema solare. In una emissione radio – va sottolineato – proveniente senza dubbio dal getto, e non dall’interazione del getto con il suo ambiente, come confermato dai dati a bassa frequenza ottenuti con il Very Large Array.

«Sappiamo che solo una frazione molto piccola (meno dell’uno per cento) di stelle massicce forma getti quando collassano. Ma non sappiamo come riescano produrre questi flussi dalle proprietà così estreme, così come non sappiamo perché solo poche stelle lo fanno», dice una delle coautrici dello studio, Raffaella Margutti, già ricercatrice postdoc all’Inaf di Brera e oggi professore associato al Weinberg college of Art e Science della Northwestern University. «Questa è una misura davvero notevole, sia dal punto di vista tecnico che per le sue profonde implicazioni scientifiche sulla natura dei campi magnetici nelle sorgenti più relativistiche conosciute nell’universo».

«Ora vorremmo capire», aggiunge il primo autore dello studio, Tanmoy Laskar, «se il basso livello di polarizzazione misurato per questo evento è caratteristico di tutti i lampi di raggi gamma e, in tal caso, cosa potrebbe dirci sulle strutture magnetiche nei getti dei gamma ray burst e sul ruolo dei campi magnetici nell’alimentazione dei getti in tutto l’universo».

Per saperne di più:

  • Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “ALMA Detection of a Linearly Polarized Reverse Shock in GRB 190114C“, di Tanmoy Laskar, Kate D. AlexanderRamandeep GillJonathan GranotEdo BergerC. G. MundellRodolfo Barniol DuranJ. BolmerPaul DuffellHendrik van Eerten,  Wen-fai Fong, Shiho Kobayashi, Raffaella Margutti e Patricia Schady