Astronomia multimessaggero: telescopi dell’ESO osservano la prima luce emessa da una sorgente di onde gravitazionali

  • Questa rappresentazione artistica mostra due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come chilonova. Un evento raro che dovrebbe produrre sia onde gravitazionali che un lampo di raggi gamma corto. Entrambi questi segnali sono stati osservati il 17 agosto 2017 rispettivamente da LIGO-VIrgo e da Fermi/INTEGRAL. Osservazioni successive con molti telescopi dell'ESO hanno confermato che questo oggetto, nella galassia NGC 4993 a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, è proprio una chilonova. Questi oggetti sono la maggior fonte di elementi chimici pesanti, come oro e platino, nell'Universo.Crediti: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
  • Questa immagine composita mostra la galassia NGC 4993 osservata da numerosi telescopi e strumenti dell'ESO, che rivelano una debole sorgente di luce vicina al centro della galassia. È una chilonova, l'esplosione che risulta dalla fusione di due stelle di neutroni. La fusione ha prodotto sia onde gravitazionali, rivelate da LIGO-Virgo, che raggi gamma, rivelati dai satelliti Fermi e INTEGRAL.Crediti: VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM
  • Questa immagine composita mostra la galassia NGC 4993 osservata da numerosi telescopi e strumenti dell'ESO, che rivelano una debole sorgente di luce vicina al centro della galassia. È una chilonova, l'esplosione che risulta dalla fusione di due stelle di neutroni. La fusione ha prodotto sia onde gravitazionali, rivelate da LIGO-Virgo, che raggi gamma, rivelati dai satelliti Fermi e INTEGRAL.Crediti: VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM
  • Questa immagine, ottenuta con lo strumento MUSE montato sul VLT (Very Large Telescope) dell'ESO all'Osservatorio del Paranal in Cile, mostra la galassia NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra. La galassia non ha in sè stranezze particolari, ma contiene qualcosa di mai visto prima, il risultato dell'esplosione di una coppia di stelle di neutroni che si sono fuse, un raro evento noto come chilonova (appena sopra e a sinistra del centro della galassia). La fusione ha prodotto anche onde gravitazionali e raggi gamma, rivelati rispettivamente da LIGO-Virgo e da Fermi/INTEGRAL. Producendo anche lo spettro di ogni punto del campo osservato, MUSE permette di vedere l'emissione del gas incandescente, che qui è mostrato in rosso, con una soprendente forma a spirale.Crediti: ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir
  • Questo mosaico mostra la variazione di intensità della chilonova in NCG 4993: è diventata più brillante, più rossa, e poi si è affievolita nelle settimane dopo l'esplosione del 17 agosto 2017. Le immagini sono state ottenute con il telescopio per survey nell'infrarosso VISTA all'Osservatorio dell'ESO al Paranal in Cile.Crediti: ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration
  • Questo grafico mostra come cambia la luminosità della chilonova osservata nella galassia NGC 4993, misurata con diversi filtri di colore. In luce blu l'oggetto si è affievolito rapidamente, ma a lunghezze d'onda maggiori, nella zona del vicino infrarosso, è prima divenuto un poco più brillante e poi si è spento più lentamente. Ne risulta che l'oggetto ha cambiato colore da molto blu a molto rosso nel corso di quattro settimane.Crediti: Tanvir et al.
  • Questo grafico mostra come sono cambiati nel tempo lo spettro e la luminosità della chilonova osservata nella galassia NGC 4993 nei 12 giorni successivi alla rilevazione di onde gravitazionali, il 17 agosto 2017. In luce blu l'oggetto si è affievolito rapidamente, ma a lunghezze d'onda maggiori, nella zona del vicino infrarosso, è prima divenuto un poco più brillante e poi si è spento più lentamente. Ne risulta che l'oggetto ha cambiato colore da molto blu a molto rosso in questo periodo. L'etichetta di ogni linea indica il numero di giorni trascorsi dall'esplosione: l'asse orizzontale rappresenta il colore della luce, dall'ultravioletto al vicino infrarosso. I colori delle linee corrispondono al colore globale dell'oggetto nei diversi tempi.Crediti: Tanvir et al.
  • Crediti: ESO/S. Smartt & T.-W. Chen
  • Questa panoramica ottenuta dai dati della DSS2 (Digitized Sky Survey 2) mostra la zona di cielo in cui si trova NGC 4993, la galassia in cui è avvenuta la fusione tra due stelle di neutroni che ha portato alla formazione di un'onda gravitazionale rivelata sulla Terra, a un lampo di luce gamma corto e all'identificazione ottica di una chilonova.Crediti: ESO and Digitized Sky Survey 2
  • Questo montaggio di diversi spettri ottenuti con lo strumento X-shooter montato sul VLT (Very Large Telescope) dell'ESO mostra il mutevole comportamento della chilonova nella galassia NGC 4993 in un periodo di 12 giorni dopo l'esplosione, osservata il 17 agosto 2017. Ogni spettro copre un intervallo di lunghezze d'onda che va dal vicino ultravioletto al vicino infrarosso e mostra come l'oggetto sia divenuto significativamente più rosso mentre si affievoliva.Crediti: ESO/E. Pian et al./S. Smartt & ePESSTO
  • Questa immagine, ottenuta con lo strumento VIMOS montato sul VLT (Very Large Telescope) dell'ESO all'Osservatorio del Paranal in Cile, mostra la galassia NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra. La galassia non ha in sè stranezze particolari, ma contiene qualcosa di mai visto prima, il risultato dell'esplosione di una coppia di stelle di neutroni che si sono fuse, un raro evento noto come chilonova (indicata dalla freccia). La fusione ha prodotto anche onde gravitazionali e raggi gamma, rivelati rispettivamente da LIGO-Virgo e da Fermi/INTEGRAL.Crediti: ESO
  • Questo grafico mostra la vasta costellazione dell'Idra, la più ampia e più lunga. Sono indicate la maggior parte delle stelle visibili a occhio nudo in una notte buia e serena. Il cerchio rosso segna la posizione della galassia NGC 4993, divenuta famosa nell'agosto 2017 grazie alla prima sorgente di onde gravitazionali identificata anche in luce visible come la chilonova GW170817. NGC 4993 appare come una debole macchia usando un grande telescopio amatoriale.Crediti: ESO, IAU and Sky & Telescope
  • Crediti: ESO/A. Grado
  • Questo grafico mostra le diverse coperture in lunghezza d'onda dei vari strumenti usati dall'ESO per studiare l'esplosione di chilonova in NGC 4993.Crediti: ESO
  • La fusione di due stelle di neutroni produce una violenta esplosione nota come chilonova. Ci si aspetta che un evento di questo tipo lanci elementi chimici pesanti nello spazio. Questa immagine mostra alcuni di questi elementi, indicati dal loro numero atomico.Crediti: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
  • Questa rappresentazione artistica mostra due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come chilonova. Un evento raro che dovrebbe produrre sia onde gravitazionali che un lampo di raggi gamma corto. Entrambi questi segnali sono stati osservati il 17 agosto 2017 rispettivamente da LIGO-VIrgo e da Fermi/INTEGRAL. Osservazioni successive con molti telescopi dell'ESO hanno confermato che questo oggetto, nella galassia NGC 4993 a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, è proprio una chilonova. Questi oggetti sono la maggior fonte di elementi chimici pesanti, come oro e platino, nell'Universo.Crediti: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser
  • Questa immagine composita mostra la galassia NGC 4993 e l'esplosione di supernova causata dalla fusione di due stelle di neutroni.Crediti: ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration
  • Questa rappresentazione artistica mostra due stelle di neutroni piccolissime, ma molto dense, sul punto di fondersi e esplodere come chilonova. Un evento raro che dovrebbe produrre sia onde gravitazionali che un lampo di raggi gamma corto. Entrambi questi segnali sono stati osservati il 17 agosto 2017 rispettivamente da LIGO-VIrgo e da Fermi/INTEGRAL. Osservazioni successive con molti telescopi dell'ESO hanno confermato che questo oggetto, nella galassia NGC 4993 a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, è proprio una chilonova. Questi oggetti sono la maggior fonte di elementi chimici pesanti, come oro e platino, nell'Universo.Crediti: University of Warwick/Mark Garlick
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MeteoWeb

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.

Questa immagine, ottenuta con lo strumento VIMOS montato sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO all’Osservatorio del Paranal in Cile, mostra la galassia NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra. La galassia non ha in sè stranezze particolari, ma contiene qualcosa di mai visto prima, il risultato dell’esplosione di una coppia di stelle di neutroni che si sono fuse, un raro evento noto come chilonova (appena sopra e a sinistra del centro della galassia). La fusione ha prodotto anche onde gravitazionali e raggi gamma, rivelati rispettivamente da LIGO-Virgo e da Fermi/INTEGRAL.
Crediti:
ESO/A.J. Levan, N.R. Tanvir

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!“

Questa immagine composita mostra la galassia NGC 4993 osservata da numerosi telescopi e strumenti dell’ESO, che rivelano una debole sorgente di luce vicina al centro della galassia. È una chilonova, l’esplosione che risulta dalla fusione di due stelle di neutroni. La fusione ha prodotto sia onde gravitazionali, rivelate da LIGO-Virgo, che raggi gamma, rivelati dai satelliti Fermi e INTEGRAL.
Crediti:
VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM

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.

Questa immagine, ottenuta con lo strumento MUSE montato sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO all’Osservatorio del Paranal in Cile, mostra la galassia NGC 4993, a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra. La galassia non ha in sè stranezze particolari, ma contiene qualcosa di mai visto prima, il risultato dell’esplosione di una coppia di stelle di neutroni che si sono fuse, un raro evento noto come chilonova (appena sopra e a sinistra del centro della galassia). La fusione ha prodotto anche onde gravitazionali e raggi gamma, rivelati rispettivamente da LIGO-Virgo e da Fermi/INTEGRAL. Producendo anche lo spettro di ogni punto del campo osservato, MUSE permette di vedere l’emissione del gas incandescente, che qui è mostrato in rosso, con una soprendente forma a spirale.
Crediti:
ESO/J.D. Lyman, A.J. Levan, N.R. Tanvir

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.

Questo mosaico mostra la variazione di intensità della chilonova in NCG 4993: è diventata più brillante, più rossa, e poi si è affievolita nelle settimane dopo l’esplosione del 17 agosto 2017. Le immagini sono state ottenute con il telescopio per survey nell’infrarosso VISTA all’Osservatorio dell’ESO al Paranal in Cile.
Crediti:
ESO/N.R. Tanvir, A.J. Levan and the VIN-ROUGE collaboration

“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.

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