Multimessenger Astronomy, cosa significa e perché cambierà la scienza?

Il 17 agosto di quest'anno la storia dell’astronomia e il nostro modo di osservare l’universo sono cambiati per sempre: è nata l'astronomia multimessenger. Per capire di cosa si tratta, e perché questa data rimarrà nella nostra memoria collettiva, è necessario fare un passo indietro, a molte estati prima. Siamo nel 1915, anno in cui Albert Einstein elabora la teoria della relatività generale: fra le altre cose, ipotizza che lo spaziotempo sia curvato dalle masse degli oggetti, e che alcuni particolari eventi, fra oggetti molto massivi, possano generare onde gravitazionali rilevabili anche dalla Terra. Ora sappiamo che le onde gravitazionali esistono, ma non è sempre stato così, e alcuni ritenevano addirittura che stessimo facendo un errore concettuale nel nostro tentativo di rilevarle. Ogni dubbio è stato fugato  il 14 settembre 2015, alle 10:50:45 ora italiana quando gli interferometri LIGO (U.S.A) e VIRGO (Pisa, Italia) hanno rilevato per la prima volta le onde gravitazionali originate da un merger (una sorta di fusione) di due buchi neri. È stata una scoperta colossale, che proprio quest’anno ha meritato il nobel per la fisica. Ma si poteva ottenere ancora qualcosa. 

Fino a tale data l’unica maniera che avevamo di esplorare l’universo era la radiazione elettromagnetica. La luce visibile è radiazione elettromagnetica, anche le onde radio lo sono. Infrarossi e raggi X? Radiazione elettromagnetica. E gli ultravioletti? Radiazione elettromagnetica. Le informazioni su qualsiasi avvenimento dell’universo, qualsiasi minima interazione elettronica che avviene in una galassia lontana anni luce da noi era ottenibile solo e unicamente tramite un’oscillazione nel campo elettromagnetico.
Le onde gravitazionali sono il nostro primo mezzo differente di osservazione dell’universo. Tramite esse il 14 settembre 2015 è stato osservato il fenomeno appena nominato, che non emette alcuna radiazione elettromagnetica, e sarebbe stato impossibile osservare altrimenti. 

Il 17 agosto 2017 LIGO e VIRGO avevano iniziato da poco più di un mese un periodo di rilevazione simultanea, e già pochi giorni prima avevano rilevato un ulteriore merger di buchi neri, quando hanno registrato un picco di onde gravitazionali molto più lungo (ben un minuto e mezzo di segnale) e intenso dei precedenti. Un segnale che, a livello teorico, corrispondeva ad un merger di stelle di neutroni: fenomeno che, a differenza del precedente, sprigiona anche radiazione elettromagnetica osservabile dai classici telescopi. Sono stati quindi avvisati tutti gli osservatori astronomici del mondo (ben 70, di cui 7 nello spazio) che hanno rimandato tutte le osservazioni programmate, e puntato le loro lenti verso la direzione approssimata dagli interferometri, alla ricerca di un punto nel cielo che avesse iniziato a brillare al momento del rilevamento. Ed eccolo, nella galassia NGC4993, il primo evento nella storia osservato tramite due mezzi completamente differenti. Nasce l’astronomia multimessenger (multi-messaggero, non più solo tramite la radiazione elettromagnetica). 

Immaginate di avere la vista come unico senso a voi consentito per esplorare il mondo. Ad un certo punto sentite qualcosa, un rumore definito e curioso, il primo rumore della vostra vita, il rumore di due buchi neri che si fondono. Sapete a che cosa potrebbe essere attribuito, sapete in teoria cos’è un buco nero, ma non potete vederlo. È come un rumore nella vostra testa, avete l'udito ma sembra non comunicare con la vista. Lo sentite tante volte nei due anni successivi, iniziate a studiarlo, a capire cosa vi può dire sulla natura dei buchi neri.

Poi, un bel giorno d'estate, sentite qualcos’altro. È  un rumore diverso e, nella speranza di associarlo questa volta a qualcosa di noto, alzate gli occhi nella direzione da cui proviene, ed eccolo là, lo vedete stavolta: un merger di stelle di neutroni proprio nel vostro salotto. E per la prima volta potete studiare un fenomeno che percepite tramite due diversi sensi. 

Perdonatemi  la metafora non proprio scientifica, ma esplicativa della rivoluzionaria importanza di questa osservazione.

Ora, però, la domanda sorge spontanea: qual è il prossimo passo in questa neonata branca dell’astronomia? Cosa può offrirci la possibilità di osservare un fenomeno in due modi completamente diversi?

Una delle più importanti applicazioni è quella cosmologica. Al momento abbiamo due metodi per misurare la scala delle distanze dell’universo: le cefeidi e le supernovae, entrambi oggetti la cui luminosità intrinseca è nota tramite modelli fisici. Confrontando questa luminosità nota con quella osservata dalla Terra, possiamo stimare la loro distanza (come potete stimare la distanza di un auto dall'intensità dei suoi fari, perchè sapete circa quanto emettono intrinsecamente). Nota la loro distanza, e misurato il loro redshift (ovvero la velocità alla quale si stanno allontanando da noi), si può stimare la costante che descrive l’espansione dell’universo, la costante di Hubble. L’unico problema è che le stime ottenute applicando questa tecnica alle supernove e alle cefeidi sono leggermente differenti. Una stima del tutto analoga può essere calcolata grazie alle onde gravitazionali, avendo abbastanza dati, per confrontarla con le precedenti.

Non dimentichiamo infine tutte le informazioni che saremo in grado di ottenere sulle stelle di neutroni stesse, grazie a questa nuova prospettiva sull’universo. Già con questa prima osservazione abbiamo ricevuto conferme preziosissime, in particolare quella che i merger di stelle di neutroni siano il principale luogo di formazione di elementi pesanti.

Siamo entrati in una nuova era dell’esplorazione dell’universo, e non vediamo l’ora di scoprire quali rivelazioni ci donerà.