La rivelazione diretta delle onde gravitazionali da almeno undici sorgenti negli ultimi cinque anni ha offerto una spettacolare conferma del modello einsteiniano della gravità e dello spazio-tempo, mentre la modellizzazione di questi eventi ha fornito informazioni sulla formazione stellare, lampi di raggi gamma, stelle di neutroni, l'età dell'universo, e persino verifica di idee su come vengono prodotti elementi molto pesanti. La maggior parte di questi eventi di onde gravitazionali è nata dalla fusione di due buchi neri di massa comparabile in una coppia orbitante. Le coppie di massa quasi uguale sono fortemente preferite nei modelli di formazione di buchi neri binari, se derivano dall'evoluzione di stelle binarie isolate o dall'accoppiamento dinamico di due buchi neri. Quest'anno, però, gli osservatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo hanno riportato la prima rilevazione di una coppia di buchi neri di massa molto diseguale, GW190412, le cui masse stimate sono circa 30 e otto masse solari. La domanda, poi, è come si sono formati?

L'astronomo CfA Carl Rodriguez ha guidato un team di colleghi in un'indagine teorica su come potrebbe formarsi un binario di massa così disuguale. La soluzione più ovvia è guardare in un denso ammasso stellare, dove basso spin, coppie di buchi neri di massa comparabili possono naturalmente formarsi, in parte perché i buchi neri massicci e le stelle tendono ad affondare verso il centro dell'ammasso e possono incontrarsi più facilmente. Ma anche lì è improbabile che quegli incontri producano una coppia di massa disuguale. La rotazione di ciascun buco nero aggiunge un ulteriore fattore di complicazione. Lo spin è quantificato da un numero compreso tra zero e uno. Se ciascuno dei buchi neri in una fusione ha un basso valore di spin, come previsto, quindi la loro fusione produrrà normalmente un buco nero più massiccio il cui spin è grande, forse intorno a 0,7, ma lo spin dedotto del massiccio buco nero in GW190412 è ben determinato essere di circa 0,43, suggerendo che non è nato da una fusione così semplice.

Gli astronomi sostengono che il modo più probabile per produrre questa improbabile coppia potrebbe essere attraverso due precedenti fusioni di coppie di buchi neri nell'ammasso, un processo che alla fine può sfociare in un buco nero con lo spin dedotto corretto. Primo, due coppie binarie di buchi neri si fondono ciascuna; ciascuna di queste coppie ha buchi neri di massa moderata comparabile e ciascuna produce un buco nero più massiccio. Prossimo, questi due nuovi buchi neri stessi formano una coppia binaria e poi si fondono, producendo la massa solare di circa 30, buco nero di spin moderato come si vede. Quindi quel buco nero si accoppia con un buco nero di bassa massa per formare il binario il cui collasso ha prodotto l'evento visto come GW190412. (Sono possibili anche varianti multi-step simili.)

Sebbene una tale serie di eventi sia rara, gli scienziati mostrano che gli ammassi stellari conosciuti potrebbero fornire gli ambienti giusti per il suo verificarsi. Il nuovo risultato e analisi, come nel caso delle precedenti scoperte di onde gravitazionali, hanno ampliato la nostra visione della varietà cosmica mentre affrontano i presupposti fondamentali. Uno di questi presupposti è che i buchi neri sono tipicamente formati dal collasso stellare con bassi spin. Il lavoro futuro mostrerà se è necessario un processo di fusione in tre fasi per spiegare eventi come GW190412, o se invece ipotesi come questa sullo spin debbano essere messe in discussione.