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    Una storia di origine inaspettata per una fusione asimmetrica di buchi neri

    Una fusione sbilenca di due buchi neri potrebbe avere origini insolite, sulla base di una rianalisi dei dati LIGO. Credito:MIT News

    Una fusione sbilenca di due buchi neri potrebbe avere una strana storia di origine, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori del MIT e altrove.

    La fusione è stata rilevata per la prima volta il 12 aprile 2019 come un'onda gravitazionale che è arrivata ai rivelatori di LIGO (il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), e la sua controparte italiana, Vergine. Gli scienziati hanno etichettato il segnale come GW190412 e hanno determinato che proveniva da uno scontro tra due buchi neri di Davide e Golia, uno tre volte più massiccio dell'altro. Il segnale ha segnato la prima rilevazione di una fusione tra due buchi neri di dimensioni molto diverse.

    Ora il nuovo studio, pubblicato oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica, mostra che questa fusione asimmetrica potrebbe aver avuto origine attraverso un processo molto diverso rispetto a come la maggior parte delle fusioni, o binari, si pensa si formino.

    È probabile che il più massiccio dei due buchi neri fosse esso stesso il prodotto di una precedente fusione tra due buchi neri genitori. Il Goliath che è uscito da quella prima collisione potrebbe essere poi rimbalzato attorno a un "ammasso nucleare" densamente compresso prima di fondersi con il secondo, buco nero più piccolo, un evento rauco che ha inviato onde gravitazionali a incresparsi nello spazio.

    GW190412 potrebbe quindi essere una seconda generazione, o fusione "gerarchica", distinguendosi dalle altre fusioni di prima generazione che LIGO e Virgo hanno finora rilevato.

    "Questo evento è una cosa strana che l'universo ci ha lanciato, era qualcosa che non ci aspettavamo, ", afferma il coautore dello studio Salvatore Vitale, un assistente professore di fisica al MIT e un membro LIGO. "Ma niente accade una sola volta nell'universo. E qualcosa del genere, sebbene raro, rivedremo, e saremo in grado di dire di più sull'universo."

    I coautori di Vitale sono Davide Gerosa dell'Università di Birmingham ed Emanuele Berti della Johns Hopkins University.

    Una lotta da spiegare

    Ci sono due modi principali in cui si pensa che si formino le fusioni di buchi neri. Il primo è noto come un processo di busta comune, dove due stelle vicine, dopo miliardi di anni, esplodere per formare due buchi neri vicini che alla fine condividono un involucro comune, o disco di gas. Dopo altri miliardi di anni, i buchi neri si avvolgono e si fondono.

    "Puoi pensare a questo come a una coppia che sta insieme tutta la vita, "Dice Vitale. "Si sospetta che questo processo avvenga nel disco di galassie come la nostra".

    L'altro percorso comune attraverso il quale si formano le fusioni dei buchi neri è tramite le interazioni dinamiche. Immaginare, al posto di un ambiente monogamo, un rave galattico, dove migliaia di buchi neri sono stipati in un piccolo, regione densa dell'universo. Quando due buchi neri iniziano a collaborare, un terzo può mandare a pezzi la coppia in un'interazione dinamica che può ripetersi molte volte, prima che una coppia di buchi neri finalmente si unisca.

    Sia nel processo di inviluppo comune che nello scenario di interazione dinamica, i buchi neri che si fondono dovrebbero avere all'incirca la stessa massa, a differenza del rapporto di massa sbilenco di GW190412. Dovrebbero anche avere relativamente nessuna rotazione, mentre GW190412 ha uno spin sorprendentemente alto.

    "La linea di fondo è, entrambi questi scenari, che le persone tradizionalmente pensano siano i vivai ideali per i binari dei buchi neri nell'universo, lotta per spiegare il rapporto di massa e lo spin di questo evento, "dice Vitale.

    Localizzatore di buchi neri

    Nel loro nuovo documento, i ricercatori hanno utilizzato due modelli per dimostrare che è molto improbabile che GW190412 provenga da un processo di inviluppo comune o da un'interazione dinamica.

    Hanno prima modellato l'evoluzione di una tipica galassia usando STAR TRACK, una simulazione che segue le galassie per miliardi di anni, partendo dalla coalescenza del gas e procedendo al modo in cui le stelle prendono forma ed esplodono, e poi collassano in buchi neri che alla fine si fondono. Il secondo modello simula casuale, incontri dinamici in ammassi globulari, dense concentrazioni di stelle intorno alla maggior parte delle galassie.

    Il team ha eseguito entrambe le simulazioni più volte, sintonizzando i parametri e studiando le proprietà delle fusioni di buchi neri emerse. Per quelle fusioni che si sono formate attraverso un processo di busta comune, una fusione come GW190412 era molto rara, spuntare solo dopo pochi milioni di eventi. Le interazioni dinamiche avevano una probabilità leggermente maggiore di produrre un tale evento, dopo qualche migliaio di fusioni.

    Però, GW190412 è stato rilevato da LIGO e Virgo dopo solo 50 altri rilevamenti, suggerendo che probabilmente è sorto attraverso qualche altro processo.

    "Non importa quello che facciamo, non possiamo facilmente produrre questo evento in questi canali di formazione più comuni, "dice Vitale.

    Il processo di fusione gerarchica potrebbe spiegare meglio la massa sbilenca del GW190412 e il suo alto spin. Se un buco nero fosse il prodotto di un precedente accoppiamento di due buchi neri genitori di massa simile, sarebbe esso stesso più massiccio di entrambi i genitori, e in seguito oscura significativamente il suo partner di prima generazione, creando un elevato rapporto di massa nella fusione finale.

    Un processo gerarchico potrebbe anche generare una fusione con un alto spin:i buchi neri genitori, nella loro caotica fusione, farebbe girare il buco nero risultante, che porterebbe poi questa rotazione nella sua collisione finale.

    "Fai i conti, e si scopre che il buco nero rimasto avrebbe uno spin molto vicino allo spin totale di questa fusione, "Spiega Vitale.

    Nessuna via d'uscita

    Se GW190412 si fosse effettivamente formato attraverso la fusione gerarchica, Vitale afferma che l'evento potrebbe anche far luce sull'ambiente in cui si è formato. Il team ha scoperto che se il più grande dei due buchi neri si fosse formato da una precedente collisione, quella collisione probabilmente ha generato un'enorme quantità di energia che non solo ha prodotto un nuovo buco nero, ma lo calciò a una certa distanza.

    "Se è preso a calci troppo forte, lascerebbe semplicemente l'ammasso ed entrerebbe nel mezzo interstellare vuoto, e non essere in grado di fondersi di nuovo, "dice Vitale.

    Se l'oggetto è stato nuovamente in grado di fondersi (in questo caso, per produrre GW190412), significherebbe che il calcio che ha ricevuto non è stato sufficiente per sfuggire all'ammasso stellare in cui si è formato. Se GW190412 è davvero un prodotto di fusione gerarchica, il team ha calcolato che si sarebbe verificato in un ambiente con una velocità di fuga superiore a 150 chilometri al secondo. Per prospettiva, la velocità di fuga della maggior parte degli ammassi globulari è di circa 50 chilometri al secondo.

    Ciò significa che qualsiasi ambiente da cui proveniva GW190412 aveva un'immensa attrazione gravitazionale, e il team ritiene che un tale ambiente potrebbe essere stato il disco di gas attorno a un buco nero supermassiccio, o un "ammasso nucleare", una regione incredibilmente densa dell'universo, pieno di decine di milioni di stelle.

    "Questa fusione deve provenire da un luogo insolito, " Vitale dice. "Mentre LIGO e Virgo continuano a fare nuove rilevazioni, possiamo usare queste scoperte per imparare cose nuove sull'universo."

    Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.




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