Un risultato tutt’altro che scontato. Ci sono voluti trentatré radio telescopi distribuiti in cinque continenti, dall’Australia agli Stati Uniti passando per Asia, Europa e Sud-Africa, e trentasei astronomi di undici nazioni per misurare le dimensioni di GW170817, la prima sorgente di onde gravitazionali rivelate dagli interferometri LIGO e Virgo, osservata anche nella sua componente elettromagnetica da decine di telescopi, a più di un anno dalla sua scoperta. I risultati dello studio di un team internazionale coordinato da Giancarlo Ghirlanda, primo ricercatore dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, e che ha visto la partecipazione di colleghi dell’INAF, ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Università di Milano-Bicocca, Gran Sasso Science Institute e Agenzia Spaziale Italiana, sono stati pubblicati sulla rivista Science.

Lo studio mostra come dallo scontro di due stelle di neutroni abbia avuto origine un getto di energia e materia lanciato nello spazio interstellare a una velocità prossima a quella della luce. Le due stelle di neutroni, nell’atto di fondersi, hanno rilasciato nello spazio circostante materiale ricco di neutroni, che ha formato metalli pesanti. Il getto ha dovuto farsi strada attraverso questo materiale. Se non fosse riuscito a emergere avrebbe depositato al suo interno la propria energia, provocando un’esplosione quasi sferica. È ben presto apparso chiaro che studiare il cambiamento della luminosità della sorgente nel tempo non sarebbe bastato per capire se il getto ce l’avesse fatta o meno a bucare la coltre di materiale circostante. Per scoprirlo, i ricercatori hanno deciso di misurare quanto fosse grande la sorgente.

“Dopo diversi mesi un’esplosione sferica, a una distanza come quella di GW170817, sarebbe apparsa come una bolla luminosa delle dimensioni apparenti di circa un milionesimo di grado – come una moneta da un euro vista da 1000 chilometri di distanza – mentre un getto sarebbe apparso significativamente più piccolo, non più grande della metà”, spiega Ghirlanda, che è primo autore dell’articolo che illustra lo studio.

Dimensioni così piccole sono misurabili solamente con la tecnica chiamata Very Long Baseline Interferometry (VLBI), che combina le osservazioni dei più grandi radio telescopi sulla Terra: maggiore è la distanza fra le antenne utilizzate e più piccoli sono i dettagli delle sorgenti celesti che è possibile distinguere. L’osservazione ha visto impegnati 33 radio telescopi, che tra il 12 e il 13 marzo del 2018, sfruttando la rotazione della Terra, hanno iniziato a osservare la galassia in cui è avvenuta la fusione delle due stelle di neutroni, partendo dagli strumenti operativi in Australia per terminare con quelli puntati dalle Hawaii. A questa osservazione hanno preso parte moltissime antenne europee, che fanno parte dell’European VLBI Network (EVN), fra cui le due antenne italiane dell’INAF situate a Medicina (vicino Bologna) e Noto (in Sicilia), entrambe del diametro di 32 metri. I dati sono stati raccolti e analizzati nel centro JIVE (Olanda).

È il risultato di una collaborazione internazionale che “ha saputo combinare le tecniche osservative radio più avanzate con le conoscenze teoriche sui getti relativistici e sulle onde gravitazionali, in cui l’Italia riveste un ruolo d’avanguardia”, osserva Monica Colpi, professore ordinario dell'Università di Milano-Bicocca.

“Nella prossima primavera i rivelatori di onde gravitazionali Virgo e LIGO rientreranno in funzione, ‘ascoltando’ un volume di Universo più grande. Ci aspettiamo molti nuovi segnali, e questo tipo di osservazioni saranno fondamentali per capire come si origina l’immensa energia emessa in questi eventi”, ricorda Marica Branchesi, ricercatrice del Gran Sasso Science Institute e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, fra gli autori del lavoro.

“È un po’ come giocare a ‘Indovina chi?’: per capire se si tratta o no di un getto”, spiega Om Sharan Salafia, ricercatore dell'INAF e secondo autore del lavoro pubblicato su Science, “bisogna essere in grado di prevedere come appare la sorgente 200 giorni dopo la rivelazione delle onde gravitazionali, cioè nel momento in cui le antenne VLBI l’hanno osservata. Dal confronto delle immagini teoriche con quelle vere si nota che solo un getto appare sufficientemente ‘compatto’ da essere compatibile con la dimensione osservata”.

“La prima e al momento unica rivelazione di onda gravitazionale a cui è stata associata una controparte elettromagnetica, GW 170817, ha dimostrato l’importanza fondamentale della sinergia tra rivelatori di onde gravitazionali e strumenti per l’astronomia da terra e dallo spazio”, sottolinea Valerio D’Elia, co-autore dell’articolo e archive scientist presso lo Space Science Data Centre di ASI. “Le missioni spaziali future come Hermes (progetto ASI) e Theseus (missione candidata per ESA – M5)” continua Barbara Negri, responsabile dell’unità Esplorazione e Osservazione dell’Universo di ASI, “rivestiranno un ruolo molto importante nell’era dell’astronomia multi-messaggera”.

Dopo oltre un anno di incertezze, l’arcano è quindi finalmente svelato: questo studio fornisce la prova che la sorgente di onde gravitazionali scoperta nell’agosto del 2017 ha lanciato un getto relativistico che ha bucato il materiale espulso nell’atto della fusione delle due stelle di neutroni. Un’informazione che aggiunge un ulteriore tassello alla nostra comprensione di tali fenomeni: grazie a osservazioni di questo tipo, nei prossimi anni potremo avere un’idea più completa e precisa delle varie fasi della vita di buchi neri e stelle di neutroni, a partire dalla loro formazione.