Galassie di dimensioni simili alla Galassia Sombrero possono offrire agli astronomi il loro primo assaggio di una coppia di buchi neri supermassicci che si fondono. Questa galassia a forma di cappello è abbastanza grande da far sì che la sua fusione di buchi neri produca onde gravitazionali rilevabili, ma non così grandi che i buchi neri si fonderebbero troppo rapidamente. Credito:NASA/Hubble Heritage Team
Gli astronomi non dovranno aspettare ancora molto per il loro primo assaggio di uno dei più grandi tipi di unione nel cosmo. Nuova ricerca pubblicata il 13 novembre in Astronomia della natura prevede che le onde gravitazionali generate dalla fusione di due buchi neri supermassicci verranno rilevate entro 10 anni. Lo studio è il primo ad utilizzare dati reali, piuttosto che simulazioni al computer, prevedere quando sarà fatta tale osservazione.
"Le onde gravitazionali di queste fusioni binarie di buchi neri supermassicci sono le più potenti dell'universo, ", afferma l'autrice principale dello studio Chiara Mingarelli, ricercatore presso il Center for Computational Astrophysics presso il Flatiron Institute di New York City. "Fanno assolutamente impallidire le fusioni di buchi neri rilevate da LIGO, " o l'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro laser, che ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali dalla collisione dei buchi neri nel febbraio 2016.
Il rilevamento di una fusione di buchi neri supermassicci offrirebbe nuove intuizioni su come si evolvono galassie massicce e buchi neri, dice Mingarelli. La mancanza di un tale avvistamento entro il periodo di 10 anni, d'altra parte, richiederebbe un ripensamento su se e come i buchi neri supermassicci si fondono, lei dice.
I buchi neri supermassicci vivono nel cuore delle grandi galassie, compresa la nostra Via Lattea, e può essere milioni o addirittura miliardi di volte la massa del sole. Per confronto, i buchi neri in fusione rilevati finora dai rivelatori di onde gravitazionali sono stati solo poche decine di volte la massa del sole.
Quando due galassie si scontrano e si combinano, i loro buchi neri supermassicci si spostano al centro della galassia appena unificata. Gli scienziati prevedono che i buchi neri supermassicci si chiuderanno insieme e si fonderanno nel tempo. Quell'incontro produce intense onde gravitazionali che si increspano attraverso il tessuto dello spazio e del tempo.
Mentre quelle onde gravitazionali sono forti, si trovano al di fuori delle lunghezze d'onda attualmente osservabili da esperimenti in corso come LIGO e Virgo. La nuova caccia alle onde gravitazionali formate dalla fusione di buchi neri supermassicci sfrutterà invece stelle chiamate pulsar che agiscono come metronomi cosmici. Le stelle che ruotano rapidamente emettono un ritmo costante di impulsi di onde radio. Mentre le onde gravitazionali in transito allungano e comprimono lo spazio tra la Terra e la pulsar, il ritmo cambia leggermente. Questi cambiamenti vengono quindi monitorati da progetti di osservazione delle pulsar sulla Terra.
Attualmente tre progetti leggono i tempi delle onde radio che arrivano dalle pulsar vicine:il Parkes Pulsar Timing Array in Australia, Osservatorio Nanohertz nordamericano per le onde gravitazionali e l'array di temporizzazione pulsar europea. Insieme, il trio forma l'International Pulsar Timing Array.
Mingarelli e colleghi hanno stimato quanto tempo impiegheranno questi progetti per individuare la loro prima fusione di buchi neri supermassicci. Il team ha catalogato le galassie vicine che potrebbero ospitare coppie di buchi neri supermassicci. I ricercatori hanno quindi combinato tali informazioni con una mappa delle pulsar vicine per trovare, per la prima volta, la probabilità di un rilevamento definitivo nel tempo.
"Se prendi in considerazione le posizioni delle pulsar nel cielo, in pratica hai il 100% di possibilità di rilevare qualcosa in 10 anni, " Dice Mingarelli. "La linea di fondo è che hai la garanzia di selezionare almeno una binaria locale di buchi neri supermassicci".
Una sorpresa dei risultati è stata quali galassie hanno maggiori probabilità di offrire il primo assaggio della fusione di buchi neri supermassicci. Galassie più grandi significano buchi neri più grandi e quindi onde gravitazionali più forti. Ma anche i buchi neri più grandi si fondono più velocemente, riducendo la finestra durante la quale le onde gravitazionali possono essere rilevate. Una fusione di buchi neri in una galassia massiccia come M87 produrrebbe onde gravitazionali rilevabili per 4 milioni di anni, ad esempio, mentre una galassia più modesta come la Galassia Sombrero offrirebbe una finestra di 160 milioni di anni.
Un rilevamento riuscito darebbe agli astrofisici una migliore comprensione dell'astrofisica alla base delle fusioni di galassie, Mingarelli dice, e fornire una nuova strada per studiare la fisica fondamentale non accessibile con nessun altro mezzo. Il numero di singoli sistemi binari di buchi neri supermassicci visti offre anche una misura di quanto spesso le galassie si fondono, che è una misura importante di come l'universo si è evoluto nel tempo.
Se non si vede una fusione di buchi neri supermassicci, potrebbe essere perché i buchi neri si fermano a circa tre anni luce (o un parsec) di separazione. Questo enigma è noto come problema di parsec finale. I due buchi neri si chiudono gradualmente nel tempo mentre le loro orbite si degradano man mano che l'energia viene persa generando onde gravitazionali, ma il processo può richiedere più tempo dell'età attuale dell'universo.
Sul fatto che gli astronomi rileveranno una fusione di buchi neri supermassicci, "Sarà interessante in ogni caso, "dice Mingarelli.
