Nel maggio 2023, poco dopo l'inizio del quarto ciclo osservativo LIGO-Virgo-KAGRA, il rilevatore LIGO Livingston ha osservato un segnale di onde gravitazionali proveniente dalla collisione di quella che molto probabilmente è una stella di neutroni con un oggetto compatto che è da 2,5 a 4,5 volte la massa del nostro Sole. Le stelle di neutroni e i buchi neri sono entrambi oggetti compatti, densi resti di massicce esplosioni stellari. Ciò che rende intrigante questo segnale, chiamato GW230529, è la massa dell'oggetto più pesante. Rientra in un possibile gap di massa tra le stelle di neutroni più pesanti conosciute e i buchi neri più leggeri. Il segnale delle onde gravitazionali da solo non può rivelare la natura di questo oggetto. Futuri rilevamenti di eventi simili, in particolare quelli accompagnati da esplosioni di radiazioni elettromagnetiche, potrebbero contenere la chiave per risolvere questo mistero cosmico.
"Questa rilevazione, 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 piccola massa di quanto pensassimo in precedenza", afferma la Dott.ssa Jess McIver, Professoressa assistente presso l'Università della British Columbia e vice portavoce della collaborazione scientifica LIGO.
Il divario di massa tra stelle di neutroni e buchi neri
Prima della rilevazione delle onde gravitazionali nel 2015, le masse dei buchi neri di massa stellare venivano trovate principalmente utilizzando osservazioni nei raggi X, mentre le masse delle stelle di neutroni venivano trovate utilizzando osservazioni radio. Le misurazioni risultanti rientravano in due intervalli distinti con un divario tra loro compreso tra circa 2 e 5 volte la massa del nostro Sole. Nel corso degli anni, un piccolo numero di misurazioni ha violato il gap di massa, che rimane molto dibattuto tra gli astrofisici.
L'analisi del segnale GW230529 mostra che proviene dalla fusione di due oggetti compatti, uno con una massa compresa tra 1,2 e 2,0 volte quella del nostro Sole e l'altro poco più del doppio della massa. Sebbene il segnale delle onde gravitazionali non fornisca informazioni sufficienti per determinare con certezza se questi oggetti compatti siano stelle di neutroni o buchi neri, sembra probabile che l'oggetto più leggero sia una stella di neutroni e l'oggetto più pesante un buco nero. Gli scienziati della collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA sono fiduciosi che l'oggetto più pesante si trovi all'interno del gap di massa.
Le osservazioni delle onde gravitazionali hanno finora fornito quasi 200 misurazioni delle masse di oggetti compatti. Di queste, solo un'altra fusione potrebbe aver coinvolto un oggetto compatto con gap di massa: il segnale GW190814 proveniva dalla fusione di un buco nero con un oggetto compatto che superava la massa delle stelle di neutroni più pesanti conosciute e forse all'interno del gap di massa.
"Mentre precedenti prove di oggetti con gap di massa sono state riportate sia nelle onde gravitazionali che elettromagnetiche, questo sistema è particolarmente interessante perché è il primo rilevamento di onde gravitazionali di un oggetto con gap di massa accoppiato con una stella di neutroni", afferma la Dott.ssa Sylvia Biscoveanu dalla Northwestern University. "L'osservazione di questo sistema ha importanti implicazioni sia per le teorie dell'evoluzione binaria che per le controparti elettromagnetiche delle fusioni di oggetti compatti".
Il quarto ciclo di osservazione con rilevatori più sensibili
Il terzo ciclo di osservazione di grande successo dei rilevatori di onde gravitazionali si è concluso nella primavera del 2020, portando a 90 il numero di rilevamenti noti di onde gravitazionali. Prima dell'inizio del quarto ciclo di osservazione O4 il 24 maggio 2023, i ricercatori LIGO-Virgo-KAGRA hanno apportato miglioramenti ai rilevatori, all'infrastruttura informatica e al software di analisi che consentono loro di rilevare segnali da più lontano e di estrarre maggiori informazioni sugli eventi estremi in cui si generano le onde.
Appena cinque giorni dopo il lancio di O4, le cose si sono fatte davvero entusiasmanti. Il 29 maggio 2023, il segnale di onde gravitazionali GW230529 è passato per il rilevatore LIGO Livingston. In pochi minuti, i dati del rilevatore sono stati analizzati ed è stato rilasciato un alert (designato S230529ay) che annunciava pubblicamente il segnale. Gli astronomi che hanno ricevuto l'alert sono stati informati che una stella di neutroni e un buco nero molto probabilmente si sono fusi a circa 650 milioni di anni luce dalla Terra. Purtroppo non è stato possibile determinare la direzione verso la sorgente poiché al momento del segnale era in osservazione solo un rilevatore di onde gravitazionali.
Si prevede che il quarto ciclo di osservazione durerà 20 mesi, compresi un paio di mesi di pausa per effettuare la manutenzione dei rilevatori e apportare una serie di miglioramenti necessari. Entro il 16 gennaio 2024, quando è iniziata la pausa della messa in servizio, erano stati identificati un totale di 81 candidati segnali significativi. GW230529 è il primo di questi ad essere pubblicato dopo un'indagine approfondita.
Ripresa del ciclo osservativo
Il quarto ciclo di osservazione riprenderà il 10 aprile 2024 con i rilevatori LIGO Hanford, LIGO Livingston e Virgo che opereranno insieme. Il ciclo continuerà fino a febbraio 2025 senza ulteriori interruzioni previste nell'osservazione. La sensibilità dei rilevatori dovrebbe essere leggermente aumentata dopo la pausa.
Mentre il ciclo di osservazione continua, i ricercatori LIGO-Virgo-KAGRA stanno analizzando i dati della prima metà del ciclo e controllando i restanti 80 segnali candidati significativi che sono già stati identificati. Entro la fine del quarto ciclo di osservazione, nel febbraio 2025, il numero totale di segnali di onde gravitazionali osservati dovrebbe superare i 200.