GW170817: quando le onde gravitazionali arrivarono con un lampo gamma

Le onde gravitazionali sono fluttuazioni dello spazio-tempo prodotte da potenti fenomeni cosmici. Nel caso di GW170817, i rivelatori terrestri LIGO, negli Stati Uniti, e Virgo, in Italia, registrarono un segnale associato alla fusione di due stelle di neutroni. Anche il satellite Fermi e l’osservatorio spaziale INTEGRAL registrarono un breve lampo di raggi gamma, denominato GRB 170817A. Fu la prima associazione osservata tra onde gravitazionali e luce ad alta energia provenienti dalla stessa sorgente cosmica.

La rilevazione avviò osservazioni successive con telescopi terrestri e spaziali. Circa mezza giornata dopo, osservatori ottici individuarono una nuova sorgente vicino al centro della galassia NGC 4993. Le osservazioni successive rilevarono segnali in altre bande, dall’ultravioletto, al visibile e all’infrarosso, fino ai raggi X e alle onde radio. L’evento poté così essere studiato attraverso osservazioni complementari, non soltanto tramite il segnale gravitazionale o il lampo gamma.

Una coincidenza tra segnali diversi

Un articolo del gruppo INTEGRAL, pubblicato il 16 ottobre 2017 su The Astrophysical Journal Letters, riferisce che lo strumento SPI-ACS rilevò GRB 170817A circa due secondi dopo la fine dell’evento gravitazionale. L’articolo indica un rapporto segnale-rumore di 4,6 per la rilevazione di INTEGRAL. Calcola inoltre una significatività di 3,2 sigma per l’associazione tra il segnale INTEGRAL e GW170817, e di 4,2 sigma per l’associazione tra le rilevazioni di Fermi-GBM e INTEGRAL. Questi valori riguardano confronti statistici differenti e non sono misure intercambiabili di un’unica associazione.

Il confronto tra gli orari di arrivo dei raggi gamma a Fermi e a INTEGRAL contribuì a circoscrivere la posizione del lampo. Secondo l’articolo, aggiungere l’osservazione di INTEGRAL ridusse di un fattore 1,8 l’area finale di localizzazione di Fermi al livello del 90%. Il segnale gravitazionale fu registrato da entrambi i rivelatori LIGO e da Virgo, la cui risposta fu minore. L’Agenzia spaziale europea (ESA) descrisse la regione di cielo indicata dalle misure come estesa per 28 gradi quadrati e collocò la sorgente a circa 130 milioni di anni luce.

Che cosa registrò INTEGRAL e quali limiti condizionarono la misura

INTEGRAL, il cui nome completo è INTernational Gamma-ray Astrophysics Laboratory, è un osservatorio spaziale gamma dell’ESA. Il gruppo stimò la fluenza del lampo in (1,4 ± 0,4 ± 0,6) × 10⁻⁷ erg cm⁻² nell’intervallo fra 75 e 2000 keV. Il primo termine di incertezza è statistico, al livello di confidenza di 1 sigma; il secondo è sistematico e corrisponde all’incertezza del modello spettrale e della risposta strumentale.

L’articolo precisa che la stima dipende da ipotesi sui modelli spettrali, poiché SPI-ACS non dispone di risoluzione energetica. Specifica inoltre un limite strumentale: a causa della soglia inferiore, SPI-ACS non poteva osservare emissioni al di sotto di circa 100 keV. Questo è importante perché GRB 170817A era un lampo relativamente «morbido», con la maggior parte dell’energia sotto tale soglia. L’articolo menziona anche un breve impulso iniziale più duro, con emissione almeno fino a 200 keV. La misura di SPI-ACS va quindi letta considerando sia la banda che poteva osservare sia le ipotesi utilizzate per stimare la fluenza.

Dopo la rilevazione iniziale, INTEGRAL continuò a osservare la regione e condusse osservazioni mirate di follow-up, iniziate 19,5 ore dopo l’evento e durate 5,4 giorni. L’articolo presenta un limite superiore per segnali elettromagnetici in un ampio intervallo, da 3 keV a 8 MeV, e pone un vincolo al flusso di un possibile afterglow gamma morbido al livello di probabilità del 99%. Per il calcolo, gli autori usarono una distribuzione delle durate dei lampi basata su lavori precedenti. Il gruppo riferisce inoltre che le osservazioni successive descritte non rilevarono ulteriori emissioni persistenti né altri lampi provenienti dalla direzione della controparte ottica.

NGC 4993 e le osservazioni successive

Secondo l’ESA, la sorgente ottica individuata vicino al centro di NGC 4993 si trovava a una distanza compatibile con quella indicata da LIGO e Virgo. Le campagne di follow-up osservarono poi segnali nell’ultravioletto, nel visibile e nell’infrarosso, e successivamente nei raggi X e nelle onde radio. Ogni banda aggiunse una parte diversa del quadro osservativo dell’evento.

L’ESA descrive il fenomeno come una kilonova: il materiale ricco di neutroni espulso nella fusione interagisce con l’ambiente circostante e durante il processo si formano elementi pesanti. L’agenzia presenta questa spiegazione nel contesto delle osservazioni successive in diverse bande e del segnale gravitazionale; non è una conclusione ricavata soltanto dalla misura gamma di INTEGRAL.

L’agenzia segnala inoltre che, tra i lampi brevi di cui era stata misurata la distanza, questo era il più vicino e il più debole. Come possibile spiegazione delle sue proprietà, l’ESA propone che i getti prodotti nella collisione non fossero diretti verso la Terra. È un’interpretazione delle osservazioni, non una misura diretta dell’orientamento dei getti.

Perché fu importante combinare gli osservatori

Prima di GW170817, le rilevazioni confermate di onde gravitazionali descritte nel resoconto dell’ESA erano state attribuite a coppie di buchi neri in fusione. L’agenzia spiega che altre collisioni cosmiche, comprese quelle che coinvolgono stelle di neutroni, potevano produrre sia onde gravitazionali sia luce in diverse bande dello spettro elettromagnetico. GW170817 fornì la prima associazione osservata di onde gravitazionali e luce ad alta energia provenienti dalla stessa sorgente.

Gli strumenti contribuirono con osservazioni diverse: LIGO e Virgo registrarono le onde gravitazionali; Fermi rilevò GRB 170817A e SPI-ACS, a bordo di INTEGRAL, registrò un segnale gamma coincidente. Il confronto degli orari di arrivo ai satelliti contribuì a migliorare la localizzazione di Fermi. In seguito, gli osservatori ottici individuarono la sorgente in NGC 4993 e la campagna ne seguì l’evoluzione in altre bande. La sequenza mostra il valore di combinare le misure senza confondere il contributo di ciascuno strumento.

Risultati e limiti delle evidenze

L’interpretazione congiunta collega GW170817, GRB 170817A e la sorgente ottica in NGC 4993 alla fusione di due stelle di neutroni. L’articolo di INTEGRAL riporta la rilevazione del lampo, il miglioramento della localizzazione di Fermi ottenuto aggiungendo l’osservazione del satellite e i limiti ricavati durante il follow-up. Il resoconto dell’ESA fornisce il contesto delle osservazioni successive e descrive l’interpretazione come una kilonova.

I valori vanno distinti in base a ciò che misurano. Il rapporto segnale-rumore di 4,6 caratterizza la rilevazione INTEGRAL; le significatività di 3,2 e 4,2 sigma riguardano associazioni statistiche differenti. La fluenza stimata comprende incertezze statistiche e sistematiche, e la sensibilità inferiore di SPI-ACS non copriva emissioni sotto circa 100 keV. Il limite su un possibile afterglow dipende invece dalle ipotesi sulla durata dei lampi utilizzate nell’analisi. L’orientamento proposto dei getti è una spiegazione, non un’osservazione diretta.

GW170817 riunì in un quadro comune segnali gravitazionali ed elettromagnetici associati allo stesso evento. INTEGRAL aggiunse una registrazione gamma e contribuì a precisare la localizzazione; le osservazioni successive di NGC 4993 ampliarono lo studio del fenomeno. Le conclusioni sul segnale vanno considerate alla luce dei limiti strumentali e delle incertezze esplicitate nell’analisi.