Il concept di questo artista raffigura un buco nero supermassiccio al centro di una galassia. Il colore blu qui rappresenta la radiazione che fuoriesce da materiale molto vicino al buco nero. La struttura grigiastra che circonda il buco nero, chiamato toro, è costituito da gas e polvere. Credito:NASA/JPL-Caltech
Gli astrofisici dell'Università di Birmingham hanno compiuto progressi nella comprensione di un mistero chiave dell'astrofisica delle onde gravitazionali:come due buchi neri possono unirsi e fondersi.
Durante i suoi primi quattro mesi di raccolta dei dati, Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ha rilevato onde gravitazionali da due fusioni di coppie di buchi neri, GW150914 e GW151226, insieme al candidato alla fusione del buco nero statisticamente meno significativo LVT151012.
Il primo rilevamento confermato di onde gravitazionali è avvenuto il 14 settembre 2015 alle 05:51 Eastern Daylight Time da entrambi i rilevatori LIGO gemelli, situato a Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, STATI UNITI D'AMERICA. Ha confermato un'importante previsione della teoria della relatività generale di Albert Einstein del 1915 e ha aperto una nuova finestra senza precedenti sul cosmo. Però, non sappiamo ancora come si formino tali coppie di buchi neri che si fondono.
Una nuova carta, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , descrive i risultati di un'indagine sulla formazione di sorgenti di onde gravitazionali con un toolkit di nuova concezione denominato COMPAS (Compact Object Mergers:Population Astrophysics and Statistics).
Affinché i buchi neri si fondano entro l'età dell'Universo emettendo onde gravitazionali, devono iniziare molto vicini tra loro per gli standard astronomici, non più di circa un quinto della distanza tra la Terra e il Sole. Però, stelle massicce, quali sono i progenitori dei buchi neri che LIGO ha osservato, espandere per essere molto più grande di questo nel corso della loro evoluzione. La sfida chiave, poi, è come inserire stelle così grandi in un'orbita molto piccola. Sono stati proposti diversi scenari possibili per affrontare questo problema.
Gli astrofisici di Birmingham, affiancato dalla collaboratrice Professor Selma de Mink dell'Università di Amsterdam, hanno dimostrato che tutti e tre gli eventi osservati possono essere formati attraverso lo stesso canale di formazione:evoluzione binaria isolata attraverso una fase di inviluppo comune. In questo canale, due massicce stelle progenitrici iniziano a separazioni piuttosto ampie. Le stelle interagiscono mentre si espandono, impegnandosi in diversi episodi di trasferimento di massa. L'ultimo di questi è in genere una busta comune - un molto rapido, trasferimento di massa dinamicamente instabile che avvolge entrambi i nuclei stellari in una densa nube di gas idrogeno. L'espulsione di questo gas dal sistema sottrae energia all'orbita. Questo porta le due stelle sufficientemente vicine tra loro perché l'emissione di onde gravitazionali sia efficiente, proprio nel momento in cui sono abbastanza piccoli che tale vicinanza non li metterà più in contatto. L'intero processo richiede alcuni milioni di anni per formare due buchi neri, con un possibile successivo ritardo di miliardi di anni prima che i buchi neri si fondano e formino un unico buco nero.
Le simulazioni hanno anche aiutato il team a comprendere le proprietà tipiche delle stelle che possono continuare a formare tali coppie di buchi neri in fusione e gli ambienti in cui ciò può accadere. Per esempio, il team ha concluso che una fusione di due buchi neri con masse significativamente disuguali sarebbe una forte indicazione che le stelle si sono formate quasi interamente da idrogeno ed elio, con altri elementi che contribuiscono meno dello 0,1% della materia stellare (per confronto, questa frazione è di circa il 2% al Sole).
Primo autore Simon Stevenson, uno studente di dottorato presso l'Università di Birmingham, ha spiegato:"La bellezza di COMPAS è che ci permette di combinare tutte le nostre osservazioni e iniziare a mettere insieme il puzzle di come questi buchi neri si fondono, inviando queste increspature nello spaziotempo che siamo stati in grado di osservare a LIGO."
L'autore senior, il professor Ilya Mandel, ha aggiunto:"Questo lavoro rende possibile perseguire una sorta di 'paleontologia' per le onde gravitazionali. Un paleontologo, chi non ha mai visto un dinosauro vivente, può capire come appariva e come viveva il dinosauro dai suoi resti scheletrici. In un modo simile, possiamo analizzare le fusioni dei buchi neri, e usa queste osservazioni per capire come quelle stelle hanno interagito durante le loro brevi ma intense vite".
