I buchi neri supermassicci hanno amici? La natura della formazione delle galassie suggerisce che la risposta è sì, e infatti, coppie di buchi neri supermassicci dovrebbero essere comuni nell'universo.

Sono un astrofisico e sono interessato a una vasta gamma di problemi teorici in astrofisica, dalla formazione delle primissime galassie alle interazioni gravitazionali dei buchi neri, stelle e persino pianeti. I buchi neri sono sistemi intriganti, e buchi neri supermassicci e gli ambienti stellari densi che li circondano rappresentano uno dei luoghi più estremi del nostro universo.

Il buco nero supermassiccio che si annida al centro della nostra galassia, chiamato Sgr A*, ha una massa di circa 4 milioni di volte quella del nostro Sole. Un buco nero è un luogo nello spazio in cui la gravità è così forte che né le particelle né la luce possono sfuggire da esso. Intorno a Sgr A* c'è un denso ammasso di stelle. Misurazioni precise delle orbite di queste stelle hanno permesso agli astronomi di confermare l'esistenza di questo buco nero supermassiccio e di misurarne la massa. Da più di 20 anni, gli scienziati hanno monitorato le orbite di queste stelle attorno al buco nero supermassiccio. Sulla base di ciò che abbiamo visto, io e i miei colleghi dimostriamo che se c'è un amico lì, potrebbe essere un secondo buco nero nelle vicinanze di almeno 100, 000 volte la massa del Sole.

Buchi neri supermassicci e i loro amici

Quasi ogni galassia, compresa la nostra Via Lattea, ha un buco nero supermassiccio nel suo cuore, con masse da milioni a miliardi di volte la massa del Sole. Gli astronomi stanno ancora studiando perché il cuore delle galassie ospita spesso un buco nero supermassiccio. Un'idea popolare si collega alla possibilità che i buchi supermassicci abbiano amici.

Per capire questa idea, dobbiamo tornare a quando l'universo aveva circa 100 milioni di anni, all'era delle primissime galassie. Erano molto più piccole delle galassie odierne, circa 10, 000 o più volte meno massiccio della Via Lattea. All'interno di queste prime galassie le primissime stelle morte crearono buchi neri, di circa decine di migliaia di massa del Sole. Questi buchi neri affondarono nel centro di gravità, il cuore della loro galassia ospite. Poiché le galassie si evolvono fondendosi e scontrandosi l'una con l'altra, le collisioni tra le galassie si tradurranno in coppie di buchi neri supermassicci, la parte fondamentale di questa storia. I buchi neri poi si scontrano e crescono anche di dimensioni. Un buco nero che è più di un milione di volte la massa di nostro figlio è considerato supermassiccio.

Se davvero il buco nero supermassiccio ha un amico che gli gira intorno in orbita stretta, il centro della galassia è bloccato in una danza complessa. I rimorchiatori gravitazionali dei partner eserciteranno anche la propria attrazione sulle stelle vicine disturbando le loro orbite. I due buchi neri supermassicci orbitano l'uno intorno all'altro, e allo stesso tempo, ognuno sta esercitando la propria attrazione sulle stelle che lo circondano.

Le forze gravitazionali dei buchi neri attirano queste stelle e le fanno cambiare orbita; in altre parole, dopo una rivoluzione attorno alla coppia di buchi neri supermassicci, una stella non tornerà esattamente al punto in cui è iniziata.

Usando la nostra comprensione dell'interazione gravitazionale tra la possibile coppia di buchi neri supermassicci e le stelle circostanti, gli astronomi possono prevedere cosa accadrà alle stelle. Gli astrofisici come me e i miei colleghi possono confrontare le nostre previsioni con le osservazioni, e poi può determinare le possibili orbite delle stelle e capire se il buco nero supermassiccio ha una compagna che sta esercitando un'influenza gravitazionale.

Usando una stella ben studiata, chiamato S0-2, che orbita attorno al buco nero supermassiccio che si trova al centro della galassia ogni 16 anni, possiamo già escludere l'idea che ci sia un secondo buco nero supermassiccio con massa superiore a 100, 000 volte la massa del Sole e più di circa 200 volte la distanza tra il Sole e la Terra. Se ci fosse un tale compagno, allora io ei miei colleghi avremmo rilevato i suoi effetti sull'orbita di SO-2.

Ma ciò non significa che un buco nero compagno più piccolo non possa ancora nascondersi lì. Un tale oggetto potrebbe non alterare l'orbita di SO-2 in un modo che possiamo facilmente misurare.

La fisica dei buchi neri supermassicci

I buchi neri supermassicci hanno ricevuto molta attenzione ultimamente. In particolare, la recente immagine di un tale gigante al centro della galassia M87 ha aperto una nuova finestra per comprendere la fisica dietro i buchi neri.

La vicinanza del centro galattico della Via Lattea, solo 24, 000 anni luce di distanza, fornisce un laboratorio unico per affrontare i problemi della fisica fondamentale dei buchi neri supermassicci. Per esempio, gli astrofisici come me vorrebbero capire il loro impatto sulle regioni centrali delle galassie e il loro ruolo nella formazione e nell'evoluzione delle galassie. Il rilevamento di una coppia di buchi neri supermassicci nel centro galattico indicherebbe che la Via Lattea si è fusa con un'altra, possibilmente piccolo, galassia in un momento del passato.

Non è tutto ciò che il monitoraggio delle stelle circostanti può dirci. Le misurazioni della stella S0-2 hanno permesso agli scienziati di eseguire un test unico della teoria della relatività generale di Einstein. A maggio 2018, S0-2 ha sorvolato il buco nero supermassiccio a una distanza di circa 130 volte la distanza della Terra dal Sole. Secondo la teoria di Einstein, la lunghezza d'onda della luce emessa dalla stella dovrebbe allungarsi mentre sale dal profondo pozzo gravitazionale del buco nero supermassiccio.

La lunghezza d'onda di allungamento prevista da Einstein, che fa apparire la stella più rossa, è stata rilevata e dimostra che la teoria della relatività generale descrive accuratamente la fisica in questa zona gravitazionale estrema. Aspetto con impazienza il secondo avvicinamento più ravvicinato di S0-2, che avverrà tra circa 16 anni, perché gli astrofisici come me saranno in grado di testare più previsioni di Einstein sulla relatività generale, compreso il cambiamento dell'orientamento dell'orbita allungata delle stelle. Ma se il buco nero supermassiccio ha un partner, questo potrebbe alterare il risultato atteso.

Finalmente, se ci sono due buchi neri massicci che orbitano l'uno attorno all'altro al centro galattico, come suggerisce il mio team è possibile, emetteranno onde gravitazionali. Dal 2015, gli osservatori LIGO-Virgo hanno rilevato la radiazione di onde gravitazionali dalla fusione di buchi neri di massa stellare e stelle di neutroni. Queste scoperte rivoluzionarie hanno aperto un nuovo modo per gli scienziati di percepire l'universo.

Qualsiasi onda emessa dalla nostra ipotetica coppia di buchi neri sarà a basse frequenze, troppo basso per essere rilevato dai rilevatori LIGO-Virgo. Ma un rivelatore spaziale pianificato noto come LISA potrebbe essere in grado di rilevare queste onde che aiuteranno gli astrofisici a capire se il nostro buco nero del centro galattico è solo o ha un partner.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.