Finora, gli astrofisici hanno rilevato solo onde gravitazionali da sistemi binari — le fusioni di due buchi neri, due stelle di neutroni o una di ciascuno. Anche se teoricamente gli astrofisici dovrebbero essere in grado di rilevare le onde gravitazionali da una singola sorgente non binaria, devono ancora scoprire questi segnali sfuggenti. Ora i ricercatori della Northwestern University suggeriscono di guardare un luogo nuovo, inaspettato e del tutto inesplorato:
i bozzoli turbolenti ed energetici di detriti che circondano stelle massicce morenti. Per la prima volta in assoluto, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni all’avanguardia per dimostrare che questi bozzoli possono emettere onde gravitazionali. E, a differenza dei lampi di raggi gamma, le onde gravitazionali dei bozzoli dovrebbero rientrare nella banda di frequenza rilevabile dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).
“Ad oggi, LIGO ha rilevato solo onde gravitazionali da sistemi binari, ma un giorno rileverà la prima fonte non binaria di onde gravitazionali”, ha affermato Ore Gottlieb della Northwestern , che ha guidato lo studio. “I bozzoli sono uno dei primi posti in cui dovremmo cercare questo tipo di fonte”. Gottlieb ha presentato questa ricerca durante una conferenza stampa virtuale al 242esimo meeting dell’American Astronomical Society . “Morti stellari a getto e turbolente: nuove fonti di onde gravitazionali rilevabili da LIGO” ha avuto luogo lunedì 5 giugno alle 12:15 EDT, come parte di una sessione su “Scoperte in galassie lontane”. Gottlieb è CIERA Fellow presso il Northwestern’s Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). I coautori nordoccidentali dello studio includono i professori Vicky Kalogera e Alexander Tchekovskoy, i colleghi postdottorato Sharan Banagiri e Jonatan Jacquemin-Ide e lo studente laureato Nick Kaaz.
La nuova fonte era “impossibile da ignorare”
Per condurre lo studio, Gottlieb ei suoi collaboratori hanno utilizzato nuove simulazioni all’avanguardia per modellare il collasso di una stella massiccia. Quando le stelle massicce collassano in buchi neri, possono creare potenti deflussi (o getti) di particelle che viaggiano vicino alla velocità della luce. Le simulazioni di Gottlieb hanno modellato questo processo, dal momento in cui la stella collassa in un buco nero fino alla fuga del getto. Link video:
Inizialmente, voleva vedere se il disco di accrescimento che si forma attorno a un buco nero potesse emettere onde gravitazionali rilevabili. Ma qualcosa di inaspettato continuava a emergere dai suoi dati. “Quando ho calcolato le onde gravitazionali dalla vicinanza del buco nero, ho trovato un’altra fonte che interrompeva i miei calcoli: il bozzolo”, ha detto Gottlieb. “Ho cercato di ignorarlo. Ma ho scoperto che era impossibile ignorarlo. Poi ho capito che il bozzolo era un’interessante fonte di onde gravitazionali”.
Quando i getti si scontrano negli strati collassanti della stella morente, attorno al getto si forma una bolla, o un “bozzolo”. I bozzoli sono luoghi turbolenti, dove gas caldi e detriti si mescolano in modo casuale e si espandono in tutte le direzioni dal getto. Mentre la bolla energetica accelera dal getto, perturba lo spazio-tempo per creare un’increspatura di onde gravitazionali, ha spiegato Gottlieb. “Un jet parte in profondità all’interno di una stella e poi si fa strada per scappare”, ha detto Gottlieb. “È come quando fai un buco nel muro. La punta del trapano rotante colpisce il muro e i detriti fuoriescono dal muro. La punta del trapano dà energia a quel materiale. Allo stesso modo, il getto colpisce la stella, provocando il riscaldamento e la fuoriuscita del materiale della stella. Questi detriti formano gli strati caldi di un bozzolo”.
Invito all’azione per guardare i bozzoli
Se i bozzoli generano onde gravitazionali, allora LIGO dovrebbe essere in grado di rilevarli nelle sue prossime corse, ha detto Gottlieb. I ricercatori hanno in genere cercato onde gravitazionali a sorgente singola da lampi di raggi gamma o supernove, ma gli astrofisici dubitano che LIGO possa rilevarle.
“Sia i getti che le supernove sono esplosioni molto energetiche”, ha detto Gottlieb. “Ma possiamo rilevare onde gravitazionali solo da esplosioni asimmetriche a frequenza più elevata. Le supernove sono piuttosto sferiche e simmetriche, quindi le esplosioni sferiche non modificano la distribuzione equilibrata della massa nella stella per emettere onde gravitazionali. I lampi di raggi gamma durano dozzine di secondi, quindi la frequenza è molto piccola, inferiore alla banda di frequenza a cui LIGO è sensibile”. Invece, Gottlieb chiede agli astrofisici di reindirizzare la loro attenzione sui bozzoli, che sono sia asimmetrici che altamente energetici.
“Il nostro studio è un invito all’azione per la comunità a considerare i bozzoli come una fonte di onde gravitazionali”, ha detto. “Sappiamo anche che i bozzoli emettono radiazioni elettromagnetiche, quindi potrebbero essere eventi multi-messaggero. Studiandoli, potremmo saperne di più su ciò che accade nella parte più interna delle stelle, le proprietà dei getti e la loro prevalenza nelle esplosioni stellari”. Lo studio, “Morti stellari a getto e turbolente: nuove fonti di onde gravitazionali rilevabili da LVK”, è stato supportato dalla National Science Foundation (numero di riconoscimento AST-2107839), dalla NASA e dal programma Fermi Cycle 14 Guest Investigator. Queste simulazioni avanzate sono state rese possibili dal supercomputer Summit del Department of Energy Oak Ridge National Laboratory e dal supercomputer Perlmutter del National Energy Research Scientific Computing Center attraverso l’ASCR Leadership Computing Challenge computational time award.
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