Dopo il lancio, avvenuto entro il maggio 2027, il telescopio spaziale Roman della NASA rileverà le stesse aree del cielo ogni pochi giorni. I ricercatori analizzeranno questi dati per identificare le kilonovae, esplosioni che avvengono quando due stelle di neutroni o una stella di neutroni e un buco nero si scontrano e si fondono. Quando avvengono queste collisioni, una parte dei detriti risultanti viene espulsa sotto forma di getti, che si muovono quasi alla velocità della luce. I detriti rimanenti producono nubi calde, incandescenti e ricche di neutroni che forgiano elementi pesanti, come l'oro e il platino. Gli ampi dati di Roman aiuteranno gli astronomi a identificare meglio la frequenza di questi eventi, la quantità di energia che sprigionano e la loro vicinanza o lontananza.
Il telescopio spaziale Roman dellaNASAè pronto ad aiutare i ricercatori a rilevare un maggior numero di kilonovae, aiutandoci a saperne di più su queste "esplosioni di stelle".
Come si fa a individuare collisioni titaniche che avvengono a milioni o addirittura miliardi di anni luce di distanza? In primo luogo, sorvegliando vaste aree del cielo. In secondo luogo, collaborando con gli osservatori di tutto il mondo!
Gli scienziati sono alla ricerca delle kilonovae, brevi ma fantastici spettacoli di luce che si verificano quando due stelle di neutroni o una stella di neutroni e un buco nero si scontrano. Tale collisione può causare un'enorme eruzione che invia cascate luminose e increspature nello spazio-tempo.
Quante brillanti eruzioni come questa si verificano nell'universo? Non lo sappiamo ancora. Finora è stata individuata solo una manciata di kilonovae candidate. L'imminente telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA è destinato a rilevare le stesse aree del cielo ogni pochi giorni, il che aiuterà i ricercatori a seguire - o addirittura a localizzare - i rilevamenti di kilonovae. Idealmente, questo darà il via a una "corsa all'oro" di nuove informazioni su questo enigmatico fenomeno cosmico.
Il Roman Space Telescope è un osservatorio della NASA progettato per svelare i segreti dell'energia oscura e della materia oscura, per cercare e fotografare gli esopianeti e per esplorare molti temi dell'astrofisica a infrarossi. Credito: NASA
Come il telescopio romano della NASA cercherà di individuare le esplosioni più spettacolari
Cosa succede quando le stelle più dense e massicce - che sono anche super piccole - si scontrano tra loro o con un buco nero? Si verificano esplosioni brillanti, note come kilonovae. Pensate a questi eventi come ai fuochi d'artificio naturali dell'universo. I teorici sospettano che si verifichino periodicamente in tutto il cosmo, sia vicino che lontano. Gli scienziati disporranno presto di un osservatorio aggiuntivo che aiuterà a seguire e persino a scovare questi eventi straordinari: Il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA, il cui lancio è previsto per il maggio 2027.
Nelle kilonovae, gli attori principali sono le stelle di neutroni, i nuclei centrali delle stelle che sono collassati per gravità durante le esplosioni di supernova. Ciascuna di esse ha una massa simile a quella del Sole, ma con un diametro di soli 10 chilometri, sono incredibilmente dense. Quando si scontrano, inviano detriti che si muovono a una velocità prossima a quella della luce. Si ritiene che queste esplosioni siano anche in grado di forgiare elementi pesanti, come l'oro, il platino e lo stronzio (che conferisce ai fuochi d'artificio il loro splendido colore rosso). Le kilonovae sparano questi elementi nello spazio, permettendo loro di finire nelle rocce che formano la crosta di pianeti terrestri come la Terra.
Come farà il telescopio spaziale Roman della NASA a rilevare le kilonovae, brevi lampi di luce emessi dalla fusione di due stelle di neutroni o di una stella di neutroni e un buco nero? In parte, grazie all'ampio campo visivo del telescopio. La vista di Roman è 200 volte più ampia di quella del telescopio spaziale Hubblenell'infrarosso. Una volta che Roman inizierà a osservare il cielo a cadenza regolare dopo il suo lancio, previsto per il 2027, i ricercatori si aspettano di poter identificare un numero maggiore di questi eventi spettacolari, sia vicini che molto lontani. Sebbene non si conosca ancora la frequenza di questi eventi, quando i dati di Roman arriveranno cominceremo a capire quanto siano frequenti queste fusioni e quali risultati ne derivino. Crediti: NASA, Alyssa Pagan (STScI)
La comunità astronomica ha catturato uno di questi straordinari eventi di kilonova nel 2017. Gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory(LIGO) della National Science Foundation hanno rilevato la collisione di due stelle di neutroni prima con onde gravitazionali - increspature nello spazio-tempo. Quasi contemporaneamente, il Fermi Gamma-ray Space Telescope della NASA ha rilevato una luce ad alta energia. La NASA si è rapidamente spostata per osservare l'evento con una più ampia flotta di telescopi e ha catturato in una serie di immagini il bagliore tenue dei detriti in espansione dell'esplosione.
Ma i protagonisti di questo esempio si sono scontrati praticamente nel nostro "cortile", almeno in termini astronomici. Si trovano a soli 130 milioni di anni luce di distanza. Ci devono essere altre kilonovae - e molte altre più lontane - che punteggiano il nostro universo sempre attivo.
"Non conosciamo ancora la frequenza di questi eventi", ha dichiarato Daniel M. Scolnic, professore assistente di fisica alla Duke University di Durham, North Carolina. Scolnic ha guidato uno studio che stima il numero di kilonovae che potrebbero essere scoperte dagli osservatori passati, presenti e futuri, compreso Roman. "La singola kilonova che abbiamo identificato è tipica? Quanto sono luminose queste esplosioni? In quali tipi di galassie si verificano?". I telescopi attuali non sono in grado di coprire aree sufficientemente ampie o di osservare abbastanza in profondità per trovare esempi più distanti, ma questo cambierà con Roman.
Avvistate altre, e più lontane, Kilonovae
In questa fase, LIGO è in testa all'identificazione delle fusioni di stelle di neutroni. È in grado di rilevare le onde gravitazionali in tutte le aree del cielo, ma alcune delle collisioni più lontane potrebbero essere troppo deboli per essere identificate. Roman si unirà alla ricerca di LIGO, offrendo qualità complementari che contribuiranno a "riempire" il team. Roman è un telescopio di rilevamento che scansiona ripetutamente le stesse aree del cielo. Inoltre, il campo visivo di Roman è 200 volte più grande di quello del telescopio spaziale Hubble nell'infrarosso: non così vasto come quello di LIGO, ma enorme per un telescopio che scatta immagini. La sua cadenza consentirà ai ricercatori di individuare quando gli oggetti del cielo si illuminano o si attenuano, sia nelle vicinanze che a grande distanza.
Roman fornirà ai ricercatori un potente strumento per osservare le kilonovae estremamente distanti. Ciò è dovuto all'espansione dello spazio. La luce che ha lasciato le stelle miliardi di anni fa si allunga nel tempo in lunghezze d'onda più lunghe e più rosse, note come luce infrarossa. Poiché Roman è specializzato nella cattura della luce nel vicino infrarosso, è in grado di rilevare la luce di oggetti molto distanti. Quanto distanti? "Roman sarà in grado di vedere alcune kilonovae la cui luce ha viaggiato per circa 7 miliardi di anni per raggiungere la Terra", ha spiegato Eve Chase, ricercatrice post-dottorato presso il Los Alamos National Laboratory di Los Alamos, New Mexico. Chase ha guidato uno studio più recente che ha simulato come le differenze nell'ejecta delle kilonovae possano variare ciò che ci aspettiamo di osservare da osservatori come Roman.
C'è un secondo vantaggio della luce nel vicino infrarosso: offre più tempo per osservare queste esplosioni di breve durata. Le lunghezze d'onda più corte della luce, come l'ultravioletto e il visibile, scompaiono dalla vista in un giorno o due. La luce del vicino infrarosso può essere raccolta per una settimana o più. I ricercatori hanno simulato i dati per vedere come funzionerà. "Per un sottoinsieme di kilonovae simulate, Roman sarebbe in grado di osservarne alcune più di due settimane dopo la fusione della stella di neutroni", ha aggiunto Chase. "Sarà uno strumento eccellente per osservare le kilonovae molto lontane".
Presto i ricercatori sapranno molto di più su dove si verificano le kilonovae e sulla frequenza di queste esplosioni nella storia dell'universo. Quelle avvenute in precedenza erano in qualche modo diverse? "Roman consentirà alla comunità astronomica di iniziare a condurre studi sulla popolazione e una serie di nuove analisi sulla fisica di queste esplosioni", ha dichiarato Scolnic.
Un telescopio di rilevamento offre enormi possibilità - e anche una tonnellata di dati che richiedono un preciso apprendimento automatico. Gli astronomi stanno affrontando questa sfida scrivendo codice per automatizzare queste ricerche. In definitiva, le enormi serie di dati di Roman aiuteranno i ricercatori a svelare forse i più grandi misteri sulle kilonovae: cosa succede dopo la collisione di due stelle di neutroni? Si produce una singola stella di neutroni, un buco nero o qualcosa di completamente diverso? Con Roman, raccoglieremo le statistiche di cui i ricercatori hanno bisogno per fare progressi sostanziali.