I nuovi “messaggeri”
Le osservazioni dei primi neutrini cosmici di alta energia ottenute a partire dal 2013 con il rivelatore IceCube, sito in Antartide, e quelle di segnali gravitazionali, provenienti dalla fusione di sistemi binari compatti (buchi neri, stelle di neutroni) ottenute a partire dal 2015 tramite i rivelatori dei progetti Advanced LIGO (Stati Uniti) e Virgo (Italia), hanno decisamente segnato l’inizio dell’astronomia multimessaggera (Multimessenger Astronomy).
La buona notizia, infatti, è che l’Universo è trasparente, anche a energie molto alte, sia ai neutrini sia alle onde gravitazionali. Questo implica che il limite alla distanza alla quale possiamo osservare fenomeni di alta energia tramite questi messaggeri sta solo nella nostra capacità di costruire strumenti e metodi di analisi sempre migliori e non è determinato dalla natura dei messaggeri e dalle interazioni alle quali essi sono soggetti. Rivelatori gravitazionali di terza generazione potranno, ad esempio, osservare tutti i fenomeni di coalescenza di coppie di buchi neri avvenuti nell’Universo, purché i valori delle masse dei buchi neri siano tali da produrre segnali gravitazionali nella banda di frequenza in cui i rivelatori osservano.
Le possibilità offerte dall’insieme dei messaggeri cosmici non si fermano a studi, peraltro fondamentali, di cosmologia e astrofisica. Sono infatti in corso verifiche della teoria della Relatività generale e ricerche che potranno avere un impatto anche sulla conoscenza della struttura intima della materia, ad esempio con l’individuazione della natura della materia oscura. Inoltre, gli studi di fisica nucleare potranno avvalersi di quanto è osservabile nel “laboratorio” delle stelle.
La scoperta delle onde gravitazionali e il suo ruolo nell’astronomia multimessaggera
Possiamo dire che la gravità sia il vero motore dell’Universo e che gli eventi più catastrofici che in esso avvengono abbiano la gravità come principale fonte di energia.
La formazione di oggetti “estremi”, ossia oggetti compatti quali buchi neri e stelle di neutroni, è un fenomeno che avviene con un grande rilascio di energia gravitazionale. Fra i possibili canali di formazione vi è il fenomeno di esplosione di supernova, che avviene quando una stella di massa almeno otto volte quella del nostro Sole, terminato il combustibile nucleare, collassa sotto l’azione della sua stessa gravità. Sotto certe condizioni, gli oggetti compatti si formano o si trovano a coppie e orbitano uno intorno all’altro, avvicinandosi sempre di più per emissione di energia gravitazionale (coalescenza). Il loro scontro finale, che avviene tipicamente dopo tempi lunghissimi dalla formazione, e la conseguente fusione, portano alla nascita di un terzo oggetto. La natura di questa nuova formazione dipende dalle masse iniziali e, nel caso delle stelle di neutroni, anche dalla loro “equazione di stato” la cui determinazione rappresenta uno dei principali obiettivi delle ricerche. È proprio in processi come questo che si generano onde gravitazionali. L’estrema debolezza dell'interazione onde gravitazionali-materia (la stessa che ne rende complessa la rivelazione) fa sì che esse viaggino quasi imperturbate dalle sorgenti all’osservatore, portando informazioni dettagliate sul fenomeno che le ha generate.