Immagine tratta dalla simulazione numerica coerente con Gw 230529. Crediti: I. Markin/Università di Potsdam, T. Dietrich, H. Pfeiffer, A. Buonanno /Università di Potsdam e Istituto Max Planck

Troppo piccolo per essere un buco nero, troppo grande per essere una stella di neutroni. Stando ai modelli attuali, messi a punto a partire dalle popolazioni di oggetti compatti conosciuti, le stelle di neutroni si collocherebbero al di sotto delle 3 masse solari, i buchi neri al di sopra delle 5 masse solari. E nell’intervallo tra 3 e 5 masse solari? È il territorio dei casi spinosi. Come quello emerso nella rilevazione dell’onda gravitazionale Gw 230529, avvenuta – come svela la stessa sigla – il 29 maggio 2023, dunque durante la prima parte del quarto periodo di osservazione (il cosiddetto run O4) dei rilevatori della collaborazione internazionale Ligo-Virgo-Kagra. L’onda sarebbe stata generata, infatti, dalla fusione di una stella di neutroni compresa tra 1,2 e 2 masse solari e un oggetto compatto sconosciuto tra 2,5 e 4,5 masse solari. L’oggetto misterioso, appunto: quello che costringe a mettere in discussione la nostra comprensione della formazione degli oggetti compatti nell’universo.

Le stelle di neutroni e i buchi neri sono entrambi oggetti compatti nati dai resti solidi di massicce esplosioni stellari. Le fusioni tra stelle di neutroni e buchi neri sono eventi rari. Pertanto, ogni nuova rilevazione è estremamente preziosa per lo studio dei tassi di fusione e per la caratterizzazione delle popolazioni di buchi neri e stelle di neutroni, che è uno degli obiettivi dell’astronomia delle onde gravitazionali. Ciò che rende questo segnale intrigante è, come dicevamo, la massa dell’oggetto più pesante, che ricade all’interno di un possibile divario tra le stelle di neutroni più massicce conosciute e i buchi neri più leggeri. Un intervallo che sfida i modelli teorici esistenti.

Recenti osservazioni di onde gravitazionali già avevano suggerito l’esistenza di oggetti situati in quel gap di massa: in una precedente rilevazione si era ipotizzato un oggetto compatto con massa compresa tra 2,5 e 2,7 masse solari, dunque superiore alla massa della stella di neutroni più pesante osservata finora, ma molto inferiore alla massa dei buchi neri. «Il nuovo rilevamento, il primo dei nostri entusiasmanti risultati del quarto ciclo di osservazione Ligo-Virgo-Kagra, rivela che potrebbe esserci un tasso più elevato di collisioni simili, tra stelle di neutroni e buchi neri di bassa massa, di quanto non si pensasse in precedenza», dice Jess McIver dell’Università della British Columbia (Canada), portavoce vicario della collaborazione scientifica Ligo.

Secondo i ricercatori della collaborazione Ligo-Virgo-Kagra, la natura dell’oggetto sconosciuto renderebbe Gw 230529 un forte candidato per ridefinire i modelli delle popolazioni di buchi neri e stelle di neutroni. Sebbene il segnale delle onde gravitazionali non fornisca informazioni sufficienti per determinare con certezza se questi oggetti siano stelle di neutroni o buchi neri, sembra probabile che l’oggetto più leggero sia una stella di neutroni e quello più pesante un buco nero. Gli scienziati nella collaborazione sono comunque abbastanza sicuri che l’oggetto più pesante si trovi all’interno del divario di massa.
Tuttavia, il segnale delle onde gravitazionali da solo non può rivelare la natura di questo oggetto; future rilevazioni di eventi simili, specialmente quelli accompagnati da emissione di radiazione elettromagnetica, potrebbero contenere la chiave per risolvere questo mistero cosmico.

Gli interferomentri della collaborazione Ligo-Virgo-Kagra pronti per la seconda fase del quarto run osservativo. Crediti: Ligo

A oggi, le osservazioni delle onde gravitazionali hanno fornito quasi duecento misurazioni di masse di vari oggetti compatti. Ma il bello deve ancora venire. A partire da domani, mercoledì 10 aprile, i rivelatori della collaborazione Ligo-Virgo-Kagra riprenderanno la loro campagna di osservazione congiunta, con l’obiettivo di arrivare a un totale complessivo di oltre duecento eventi di onde gravitazionali entro la fine del quarto ciclo di osservazione O4. Gli astronomi sperano anche nell’osservazione di nuovi eventi multi-messaggero, con il rilevamento simultaneo sia di onde gravitazionali che elettromagnetiche (a oggi è accaduto una volta soltanto). Dopo lo stop delle prima parte del quarto run osservativo, durato per ora dal 23 maggio al 16 gennaio 2024, alla seconda fase – O4b – prenderà parte anche il rivelatore Virgo, situato in Italia, vicino a Pisa.

La prima fase della campagna, O4a, era stata condotta dai soli due rivelatori di Ligo di Hanford, Washington, e di Livingston, Louisiana, negli Stati Uniti e si è interrotta a inizio anno per manutenzione e aggiornamenti. Virgo non ha partecipato all’O4a, scegliendo invece di continuare le attività di messa in servizio per mitigare l’impatto di diverse sorgenti di rumore, ma si unirà invece, come detto, alla seconda fase. «Gli osservatori di onde gravitazionali sono progetti all’avanguardia e, come tali, devono affrontare molte sfide. Oggi siamo molto contenti di unirci al nuovo ciclo di osservazione», dice Gianluca Gemme, portavoce dell’esperimento Virgo e ricercatore dell’Infn. «Il contributo di Virgo sarà fondamentale per migliorare la localizzazione degli eventi multi-messaggero, che ci aspettiamo di rilevare in questa seconda fase del run». A non partecipare questa volta sarà il rivelatore Kagra, in Giappone, che ha partecipato all’O4a solo per un mese prima di tornare alla messa in servizio, ma, attualmente, sta cercando di riprendersi dai danni causati dal terremoto di magnitudo 7,6 che il 1° gennaio 2024 ha colpito la penisola di Noto, a 120 km dal sito. La fine di O4b è prevista all’inizio del 2025. Nuove scoperte su quelli che sono considerati gli eventi più violenti e più misteriosi dell’universo ci aspettano dunque dietro l’angolo.