La conferma delle onde gravitazionali nel 2017 continua a sbloccare interi nuovi mondi della fisica, ma continua anche a suscitare ulteriori domande. Il rilevamento di ogni onda gravitazionale porta una nuova sfida: come scoprire cosa ha causato l'evento. A volte è più difficile di quanto sembri. Ora un team guidato da Alejandro Vigna-Gomez dell'Università di Copenaghen pensa di aver trovato un modello di morte stellare che aiuta a spiegare alcuni risultati precedentemente inspiegabili e indica una galassia con molte più stelle di neutroni massicce di quanto si pensasse in precedenza.
Nella scienza, è comune raccogliere dati che non sembrano adattarsi all'attuale teoria scientifica. Questo tipo di dati inaspettati provenivano dalla seconda scoperta di onde gravitazionali del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Di solito, LIGO registra onde gravitazionali derivanti dalla collisione di due oggetti massicciamente densi, come un buco nero e una stella di neutroni. Nel caso della sua seconda registrazione positiva, inizialmente registrata nel 2019 e ora nota come GW190425, i dati indicavano che la sorgente era costituita da due stelle di neutroni che si fondono, ma erano sorprendentemente grandi.
Le stelle di neutroni medie sono difficili da "vedere" nel senso tradizionale. Come il loro cugino strettamente imparentato, il buco nero, di solito si formano solo dopo che una stella supermassiccio è implosa. Tuttavia, occasionalmente formano pulsar, creando una forma di stella che è una delle più visibili nell'universo. Tipicamente, l'unico modo per vedere un sistema binario di stelle di neutroni, come quello che ha creato il segnale dell'onda gravitazionale GW190425, è se una delle due stelle del sistema è una pulsar e quindi interagisce con la sua normale stella di neutroni vicina. Ma nessuno dei sistemi binari di stelle di neutroni conosciuti aveva stelle abbastanza pesanti da eguagliare il segnale visto da LIGO.
Mancavano di tali stelle in parte a causa delle stelle più grandi che si trasformavano in buchi neri piuttosto che in stelle di neutroni quando muoiono. Tuttavia, i segnali gravitazionali provenivano dalla fusione di stelle di neutroni giganti, non dalla fusione di buchi neri. Quindi cosa sta causando la formazione di queste grandi stelle di neutroni, e perché non si presentano in coppie binarie con pulsar?
Secondo il Dr. Vigna-Gomez, la risposta potrebbe risiedere in un tipo di stella chiamata "stella spogliata". Chiamati anche stelle di elio, questi oggetti stellari si formano solo in sistemi binari e hanno il loro guscio esterno di idrogeno costretto via dall'altra stella del sistema, lasciando un nucleo di elio puro. Il team ha modellato questi tipi di stelle per capire cosa succede loro dopo una supernova. Dipende da due fattori: il peso del nucleo che rimane e la forza della sua esplosione di supernova.
Utilizzando modelli di evoluzione stellare, il team ha dimostrato che per le stelle di elio, alcuni degli strati esterni di elio possono essere spazzati via nell'esplosione, abbassando il peso della stella al punto in cui non è più in grado di diventare un buco nero. Questo potrebbe potenzialmente spiegare da dove provengono le stelle di neutroni pesanti, ma perché non sono più evidenti nei sistemi binari con pulsar?
La risposta viene da un processo standard nei sistemi binari: il trasferimento di massa. Spesso, una stella in un sistema binario perde parte del suo materiale rispetto all'altra stella, più massiccia, in un processo noto come trasferimento di massa. Nei sistemi stellari di neutroni, questo trasferimento di massa a volte può far girare una stella di neutroni in una pulsar. Tuttavia, più grande è il nucleo di elio della stella, meno è probabile che il processo di trasferimento di massa sia. Quindi, nei sistemi che formano stelle di neutroni massicce, è meno probabile che finiscano in un sistema binario con una pulsar. Sono più in grado di trattenere la loro massa piuttosto che trasferirla al loro compagno binario, lasciandola illuminare come una pulsar.
Altri dati di LIGO a sostegno di questa teoria. Sembra che le fusioni di stelle di neutroni pesanti siano altrettanto comuni nell'universo come le fusioni di stelle di neutroni leggermente meno pesanti con pulsar. Potrebbe esistere un'intera popolazione di grandi sistemi binari di stelle di neutroni, invisibile ai nostri soliti metodi di rilevamento. Ma ora, con LIGO, dovremmo almeno essere in grado di vedere quando si fondono, e questo è un altro passo verso una vera comprensione.