Il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) ha effettuato una terza rilevazione di onde gravitazionali, increspature nello spazio e nel tempo, dimostrando che una nuova finestra nell'astronomia è stata decisamente aperta. Come nel caso delle prime due rilevazioni, le onde sono state generate quando due buchi neri si sono scontrati per formare un buco nero più grande.

Il nuovo buco nero, formato dalla fusione, ha una massa circa 49 volte quella del nostro sole. Questo colma un vuoto tra le masse dei due buchi neri fusi rilevati in precedenza da LIGO, con masse solari di 62 (prima rilevazione) e 21 (seconda rilevazione).

"Abbiamo un'ulteriore conferma dell'esistenza di buchi neri di massa stellare che sono più grandi di 20 masse solari:questi sono oggetti che non sapevamo esistessero prima che LIGO li rilevasse, " dice David Shoemaker del MIT, il nuovo portavoce della LIGO Scientific Collaboration (LSC), un corpo di più di 1, 000 scienziati internazionali che svolgono la ricerca LIGO insieme alla Virgo Collaboration con sede in Europa. "È straordinario che gli umani riescano a mettere insieme una storia, e provalo, per eventi così strani ed estremi avvenuti miliardi di anni fa e distanti miliardi di anni luce da noi. L'intera collaborazione scientifica LIGO e Virgo ha lavorato per mettere insieme tutti questi pezzi".

Il nuovo rilevamento è avvenuto durante l'attuale corsa osservativa di LIGO, iniziata il 30 novembre 2016, e continuerà per tutta l'estate. LIGO è una collaborazione internazionale con membri in tutto il mondo. Le sue osservazioni sono effettuate da rivelatori gemelli:uno a Hanford, Washington, e l'altro a Livingston, Louisiana—gestito da Caltech e MIT con il finanziamento della National Science Foundation (NSF).

LIGO ha effettuato la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali nel settembre 2015 durante la sua prima sessione di osservazione da quando ha subito importanti aggiornamenti in un programma chiamato Advanced LIGO. La seconda rilevazione è stata effettuata nel dicembre 2015. La terza rilevazione, denominato GW170104 e realizzato il 4 gennaio, 2017, è descritto in un nuovo articolo accettato per la pubblicazione sulla rivista Lettere di revisione fisica .

In tutti e tre i casi, ciascuno dei rivelatori gemelli di LIGO ha rilevato onde gravitazionali dalle fusioni tremendamente energetiche di coppie di buchi neri. Queste sono collisioni che producono più energia di quella irradiata come luce da tutte le stelle e le galassie dell'universo in un dato momento. Il rilevamento recente sembra essere il più lontano finora, con i buchi neri situati a circa 3 miliardi di anni luce di distanza. (I buchi neri nella prima e nella seconda rilevazione si trovano a 1,3 e 1,4 miliardi di anni luce di distanza, rispettivamente.)

L'ultima osservazione fornisce anche indizi sulle direzioni in cui stanno ruotando i buchi neri. Mentre coppie di buchi neri si muovono a spirale l'una intorno all'altra, girano anche sui propri assi, come un paio di pattinatori sul ghiaccio che girano individualmente mentre girano l'uno intorno all'altro. A volte i buchi neri ruotano nella stessa direzione orbitale complessiva in cui si muove la coppia - ciò che gli astronomi chiamano spin allineati - ea volte ruotano nella direzione opposta al movimento orbitale. Cosa c'è di più, i buchi neri possono anche essere inclinati lontano dal piano orbitale. Essenzialmente, i buchi neri possono ruotare in qualsiasi direzione.

I nuovi dati LIGO non possono determinare se i buchi neri osservati di recente fossero inclinati, ma implicano che almeno uno dei buchi neri potrebbe essere stato non allineato rispetto al movimento orbitale complessivo. Sono necessarie ulteriori osservazioni con LIGO per dire qualcosa di definitivo sugli spin dei buchi neri binari, ma questi primi dati offrono indizi su come possono formarsi queste coppie.

"Questa è la prima volta che abbiamo prove che i buchi neri potrebbero non essere allineati, dandoci solo un piccolo indizio che i buchi neri binari possono formarsi in densi ammassi stellari, " dice Bangalore Sathyaprakash della Penn State e dell'Università di Cardiff, uno dei redattori del nuovo giornale, che è scritto da tutte le collaborazioni LSC e Virgo.

Esistono due modelli principali per spiegare come si possono formare coppie binarie di buchi neri. Il primo modello propone che i buchi neri nascano insieme:si formano quando ogni stella di una coppia di stelle esplode, poi, perché le stelle originali ruotavano allineate, i buchi neri probabilmente rimangono allineati.

Nell'altro modello, i buchi neri si riuniscono più tardi nella vita all'interno di ammassi stellari affollati. I buchi neri si accoppiano dopo essere affondati al centro di un ammasso stellare. In questo scenario, i buchi neri possono ruotare in qualsiasi direzione rispetto al loro movimento orbitale. Poiché LIGO vede alcune prove che i buchi neri GW170104 non sono allineati, i dati favoriscono leggermente questa teoria dell'ammasso stellare denso.

"Stiamo iniziando a raccogliere statistiche reali sui sistemi binari di buchi neri, "dice Keita Kawabe di Caltech, anche editore del giornale, che ha sede presso l'Osservatorio LIGO Hanford. "Questo è interessante perché alcuni modelli di formazione binaria dei buchi neri sono in qualche modo favoriti rispetto ad altri anche adesso e, nel futuro, possiamo restringere ulteriormente questo campo."

Lo studio mette ancora una volta alla prova le teorie di Albert Einstein. Per esempio, i ricercatori hanno cercato un effetto chiamato dispersione, che si verifica quando le onde luminose in un mezzo fisico come il vetro viaggiano a velocità diverse a seconda della loro lunghezza d'onda; ecco come un prisma crea un arcobaleno. La teoria della relatività generale di Einstein proibisce che avvenga la dispersione nelle onde gravitazionali mentre si propagano dalla loro sorgente alla Terra. LIGO non ha trovato prove per questo effetto.

"Sembra che Einstein avesse ragione, anche per questo nuovo evento, che è circa due volte più lontano del nostro primo rilevamento, " afferma Laura Cadonati della Georgia Tech e il vice portavoce della LSC. "Non possiamo vedere alcuna deviazione dalle previsioni della relatività generale, e questa maggiore distanza ci aiuta a fare questa affermazione con più sicurezza".

"Gli strumenti LIGO hanno raggiunto sensibilità impressionanti, " nota Jo van den Brand, il portavoce della Virgo Collaboration, fisico presso l'Istituto nazionale olandese di fisica subatomica (Nikhef) e professore alla VU University di Amsterdam. "Ci aspettiamo che entro questa estate Vergine, l'interferometro europeo, amplierà la rete di rivelatori, aiutandoci a localizzare meglio i segnali."

Il team LIGO-Virgo sta continuando a cercare negli ultimi dati LIGO segni di increspature spazio-temporali dai confini più remoti del cosmo. Stanno anche lavorando su aggiornamenti tecnici per la prossima corsa di LIGO, previsto per la fine del 2018, durante il quale sarà migliorata la sensibilità dei rivelatori.

"Con il terzo rilevamento confermato di onde gravitazionali dalla collisione di due buchi neri, LIGO si sta affermando come un potente osservatorio per rivelare il lato oscuro dell'universo, "dice David Reitze di Caltech, direttore esecutivo del Laboratorio LIGO. "Mentre LIGO è particolarmente adatto per osservare questi tipi di eventi, speriamo di vedere presto altri tipi di eventi astrofisici, come la violenta collisione di due stelle di neutroni."