Onde gravitazionali e buchi neri impossibili

Nuovo passaggio di onde gravitazionali registrata dalla collaborazione Ligo-Virgo. L’evento, GW190521, è il segnale generato dalla formazione di un buco nero di 142 masse solari, il più massiccio buco nero da collisione osservato finora, prodotto dalla collisione tra due buchi neri rispettivamente di 66 e 85 masse solari.
Eppure buchi neri tra 65 e 120 masse solari non dovrebbero esistere… Com’è possibile?

In questo articolo:

GW190521

Ti svelo il trucco: le onde gravitazionali osservate sono identificate dalla sigla GW (Gravitational Wave) + la data (AA/MM/GG) in cui il segnale è stato rilevato. Questa nuova osservazione dunque, annunciata il 2 settembre 2020, si riferisce in realtà ad un evento “visto” il 21 maggio 2019.

In quella data, una perturbazione infinitesimale dello spaziotempo, così debole che per rivelarla abbiamo dovuto costruire strumenti scientifici con bracci lunghi chilometri – gli interferometri -, ha attraversato il pianeta Terra e ha fatto scattare i tre siti in ascolto.

Gli osservatori statunitensi Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), nei due siti di Livingston nella Louisiana e di Hanford nello stato di Washington, e Virgo, sito a Cascina in provincia di Pisa, hanno registrato il “cinguettìo” dell’onda gravitazionale.

Lo si chiama così in gergo. Si tratta di segnali veramente brevi, un decimo di secondo, che sono però la gioia degli astronomi, per la quantità di informazioni che se ne ricavano dati le opportune conoscenze e strumenti per analizzarli.

Simulazione numerica in cui si ricostruisce l’evento che ha dato origine al segnale GW190521. Lo spaziotempo si increspa a causa della più massiccia fusione di buchi neri mai osservata. L’emissione di onde gravitazionali in eventi di questo tipo era stata prevista dalla Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein. Le frecce sugli orizzonti degli eventi indicano la velocità con cui ruotano questi buchi neri. L’animazione si ingrandisce per mostrare le increspature dello spaziotempo che si propagano e riporta un grafico del segnale delle onde gravitazionali – il cosiddetto cinguettio – in basso.
[Animazione: D. Ferguson, K. Jani, D. Shoemaker, P. Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration]

Il cinguettio in questione racconta di due enormi buchi neri, rispettivamente 66 e 85 volte la massa del nostro sole, che, completando un valzer durato probabilmente milioni di anni, vorticosamente si ruotano uno attorno all’altro fino all’ultimo, vistoso abbraccio: una collisione così sconvolgente che la sua eco viaggia nello spazio a testimoniarne l’intensità.

7 miliardi di anni dopo, quella perturbazione investe la Terra e i nostri interferometri ce lo fanno prontamente sapere.

Scopriamo così la massa dei due progenitori, ma anche quella del nuovo buco nero da loro generato: 142 masse solari, il più grande buco nero finora osservato tramite onde gravitazionali. E anche il più lontano.
Ma, aspetta un momento… 66+85 non fa 142: dove sono quelle 9 masse solari mancanti?
Sparite? No, perse in energia, l’energia trasportata dalle onde gravitazionali. Eisenstein aveva previsto anche questo.

Perché questa osservazione è importante

Da quel primo, storico evento, GW150914, ad oggi sono passati 5 anni, 3 campagne osservative della collaborazione Ligo-Virgo e una dozzina di onde gravitazionali.

Questo evento è però eccezionale ed entra nel primato per due ragioni:

  • il buco nero finale, oltre ad essere il più massiccio osservato finora tramite onde gravitazionali, e ricade nella categoria dei buchi neri intermedi, teorizzati ma in realtà poco osservati prima dell’utilizzo delle onde gravitazionali
  • i due buchi neri che lo hanno generato sono dei misteri: teoricamente non dovrebbero esistere
Diagramma di stelle di neutroni e buchi neri in funzione della massa. La collisione che ha originato l'evento GW190521 è la più massiccia finora osservata.
Masse nel “cimitero stellare”, ovvero stelle defunte in funzione della massa. In basso buchi neri di massa paragonabile a quella del Sole; salendo in altro, masse via via maggiori. Si distinguono i buchi neri rilevati tramite osservazioni elettromagnetiche (viola), i buchi neri misurati mediante osservazioni di onde gravitazionali (blu), le stelle di neutroni misurate con osservazioni elettromagnetiche (giallo) e stelle di neutroni rilevate tramite onde gravitazionali (arancione). GW190521 è evidenziato al centro del grafico come la fusione di due buchi neri che ha prodotto un residuo che è il buco nero più massiccio mai osservato nelle onde gravitazionali.
[Immagine: LIGO-Virgo / Northwestern U./Frank Elavsky e Aaron Geller]
Buchi neri di massa intermedia

Conoscevamo, da osservazioni indirette, i buchi neri stellari, con masse dell’ordine delle decine di masse solari, che – come il nome suggerisce – derivano da stelle collassate, e i buchi neri supermassicci, mostri milioni o persino miliardi di volte più massicci del Sole, che si trovano solitamente in posti superaffollati come i nuclei delle galassie.

I buchi neri di massa intermedia, con le loro masse tra 100 e 100mila masse solari, restavano una categoria un po’ in forse, da confermare, con solo una manciata di candidati osservati.
Con l’avvento della nuova astronomia multimessaggero, quella in cui studiamo l’universo non solo grazie alle onde elettromagnetiche, ma anche grazie alle onde gravitazionali, la categoria di buchi neri di massa intermedia si arricchisce di nuovi esempi e casi confermati.

Vedere un buco nero intermedio, quello di 142 masse solari, formarsi per collasso è anche in linea con ciò che si era immaginato riguardo alla loro formazione.

Intervallo proibito di masse

Varrà lo stesso per i buchi neri progenitori di questo evento, i due da 66 e 85 masse solari? Come si sono fomati?

Finora, stando alle attuali teorie di evoluzione stellare, stelle tra 65 e 120 masse solari non potrebbero implodere in buco nero. È come se esistesse un intervallo proibito per le masse con cui i buchi neri possono formarsi.
Un fenomeno nucleare noto come creazione di coppie creerebbe un’instabilità per cui le stelle in questo intervallo di massa espellerebbero materiale collassando poi in buchi neri di massa inferiore. In sostanza, una stella di 66 masse solari, durante la fase instabile di creazione di coppie, avrebbe espulso della massa collassando poi in un buco nero meno massiccio. Ancora di più ne avrebbe espulsa un’eventuale stella da 85 masse solari. E allora perché questi due buchi neri esistono?

Gli scienziati adorano quando le osservazioni sembrano contraddire le teorie vigenti: proprio quella è l’occasione per imparare cose nuove!

Tre teorie per darsi una risposta

Gli astronomi della collaborazione Ligo-Virgo hanno tre possibili risposte a questa osservazione di buchi neri impossibili:

  • buchi neri di seconda generazione, a loro volta prodotti dal collasso di buchi neri stellari
  • stelle in fin di vita che coalescono con una compagna, acquisendo un involucro che le porta complessivamente a superare il limite dell’intervallo proibito facendole direttamente collassare in buchi neri, senza passare la fase di instabilità
  • buchi neri nel nucleo di una galassia attiva, presumibilmente immersi in un ambiente ricco di buchi neri di massa stellare che, dato l’affollamento, coalescono e si fondono dando vita a buchi neri via via più massicci
L'osservazione tramite onde gravitazionali della fusione di buchi neri rivela una popolazione intermedia di questi oggetti, che si formano per coalescenze successive.
Illustrazione d’artista di uno schema gerarchico per la fusione dei buchi neri: buchi neri intermedi e buchi neri nell’intervallo proibito di masse sarebbero a loro volta prodotto di fusioni precedenti.
[Immagine: LIGO / Caltech / MIT / R. Hurt (IPAC).]

Tutte e tre le ipotesi insomma fanno derivare i buchi neri con massa nell’intervallo di massa proibito dalla collisione e fusione tra stelle o tra buchi neri, non direttamente dall’evoluzione stellare di un oggetto singolo.

Una cosa è certa: ciò che grazie alle onde gravitazionali stiamo scoprendo, potrà essere compreso a fondo solo continuando a rivelare altri splendidi, mastodontici, scontri tra titani, attraverso la debole eco che, viaggiando nello spazio, ne sconvolge la trama.


Un articolo scritto bene sulla notizia: LIGO/Virgo’s Newest Merger Defies Mass Expectations


Sconvolto dal concetto di onda gravitazionale e buchi neri che collidono? Vorresti saperne di più? Prometto che te ne parlo meglio alla prima occasione: intanto, se ti va, lasciami un commento per dirmi cosa vorresti approfondire.

Oppure, cerchi un manualetto per sapere tutto sulla storia della ricerca delle onde gravitazionali, da Einstein ad oggi? Leggi la mia recensione Onde nello spaziotempo e dimmi se è il libro che fa al caso tuo.


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