Quando i rilevatori gemelli di LIGO hanno rilevato per la prima volta deboli oscillazioni nei rispettivi specchi identici, il segnale non ha solo fornito il primo rilevamento diretto delle onde gravitazionali, ma ha anche confermato l'esistenza di buchi neri binari stellari, che ha dato origine al segnale in primo luogo.

I buchi neri binari stellari si formano quando due buchi neri, creato dai resti di stelle massicce, iniziano a orbitare l'uno sull'altro. Infine, i buchi neri si fondono in una spettacolare collisione che, secondo la teoria della relatività generale di Einstein, dovrebbe rilasciare un'enorme quantità di energia sotto forma di onde gravitazionali.

Ora, un team internazionale guidato dall'astrofisico del MIT Carl Rodriguez suggerisce che i buchi neri possono unirsi e fondersi più volte, producendo buchi neri più massicci di quelli che si formano da singole stelle. Queste "fusioni di seconda generazione" dovrebbero provenire da ammassi globulari:piccole regioni di spazio, di solito ai bordi di una galassia, che sono pieni di centinaia di migliaia o milioni di stelle.

"Pensiamo che questi ammassi si siano formati con centinaia o migliaia di buchi neri che sono rapidamente sprofondati al centro, "dice Carlo Rodriguez, un collega Pappalardo presso il Dipartimento di Fisica del MIT e l'Istituto Kavli per l'astrofisica e la ricerca spaziale. "Questi tipi di cluster sono essenzialmente fabbriche per binari di buchi neri, dove ci sono così tanti buchi neri appesi in una piccola regione dello spazio che due buchi neri potrebbero fondersi e produrre un buco nero più massiccio. Allora quel nuovo buco nero può trovare un altro compagno e fondersi di nuovo".

Se LIGO rileva un binario con una componente di buco nero la cui massa è maggiore di circa 50 masse solari, poi in base ai risultati del gruppo, c'è una buona probabilità che l'oggetto sia nato non da singole stelle, ma da un denso ammasso stellare.

"Se aspettiamo abbastanza a lungo, poi alla fine LIGO vedrà qualcosa che potrebbe provenire solo da questi ammassi stellari, perché sarebbe più grande di qualsiasi cosa tu possa ottenere da una singola stella, " dice Rodriguez.

Lui e i suoi colleghi riportano i loro risultati in un documento che appare in Lettere di revisione fisica .

Stelle in corsa

Negli ultimi anni, Rodriguez ha studiato il comportamento dei buchi neri all'interno degli ammassi globulari e se le loro interazioni differiscono dai buchi neri che occupano regioni meno popolate nello spazio.

Gli ammassi globulari si trovano nella maggior parte delle galassie, e il loro numero scala con le dimensioni di una galassia. Enorme, galassie ellittiche, ad esempio, ospitare decine di migliaia di questi conglomerati stellari, mentre la nostra Via Lattea ne contiene circa 200, con il cluster più vicino che risiede circa 7, 000 anni luce dalla Terra.

Nel loro nuovo documento, Rodriguez e i suoi colleghi riferiscono di aver usato un supercomputer chiamato Quest, alla Northwestern University, simulare il complesso, interazioni dinamiche all'interno di 24 ammassi stellari, di dimensioni variabili da 200, da 000 a 2 milioni di stelle, e coprendo una gamma di diverse densità e composizioni metalliche. Le simulazioni modellano l'evoluzione delle singole stelle all'interno di questi ammassi nell'arco di 12 miliardi di anni, seguendo le loro interazioni con altre stelle e, in definitiva, la formazione e l'evoluzione dei buchi neri. Le simulazioni modellano anche le traiettorie dei buchi neri una volta formati.

"La cosa bella è che perché i buchi neri sono gli oggetti più massicci in questi ammassi, affondano al centro, dove si ottiene una densità di buchi neri sufficientemente alta da formare binari, " dice Rodriguez. "I buchi neri binari sono fondamentalmente come bersagli giganti appesi nell'ammasso, e mentre gli lanci altri buchi neri o stelle, subiscono questi folli incontri caotici."

È tutto relativo

Durante l'esecuzione delle loro simulazioni, i ricercatori hanno aggiunto un ingrediente chiave che mancava nei precedenti sforzi per simulare gli ammassi globulari.

"Ciò che le persone avevano fatto in passato era trattare questo come un problema puramente newtoniano, " dice Rodriguez. "La teoria della gravità di Newton funziona nel 99,9 per cento di tutti i casi. I pochi casi in cui non funziona potrebbero essere quando hai due buchi neri che sfrecciano l'uno vicino all'altro, cosa che normalmente non accade nella maggior parte delle galassie."

La teoria della relatività di Newton presuppone che, se i buchi neri non fossero legati all'inizio, nessuno dei due influenzerebbe l'altro, e si sarebbero semplicemente incrociati, invariato. Questa linea di ragionamento deriva dal fatto che Newton non riuscì a riconoscere l'esistenza delle onde gravitazionali, che Einstein molto più tardi predisse sarebbero derivate da enormi oggetti orbitanti, come due buchi neri nelle immediate vicinanze.

"Nella teoria della relatività generale di Einstein, dove posso emettere onde gravitazionali, poi quando un buco nero passa vicino a un altro, può effettivamente emettere un minuscolo impulso di onde gravitazionali, "Spiega Rodriguez. "Questo può sottrarre abbastanza energia dal sistema che i due buchi neri si legano effettivamente, e poi si fonderanno rapidamente."

Il team ha deciso di aggiungere gli effetti relativistici di Einstein alle loro simulazioni di ammassi globulari. Dopo aver eseguito le simulazioni, hanno osservato buchi neri fondersi tra loro per creare nuovi buchi neri, all'interno degli ammassi stellari stessi. Senza effetti relativistici, La gravità newtoniana prevede che la maggior parte dei buchi neri binari verrà espulsa dall'ammasso da altri buchi neri prima che possano fondersi. Ma tenendo conto degli effetti relativistici, Rodriguez e i suoi colleghi hanno scoperto che quasi la metà dei buchi neri binari si è fusa all'interno dei loro ammassi stellari, creando una nuova generazione di buchi neri più massicci di quelli formati dalle stelle. Quello che succede a quei nuovi buchi neri all'interno dell'ammasso è una questione di spin.

"Se i due buchi neri ruotano quando si fondono, il buco nero che creano emetterà onde gravitazionali in un'unica direzione preferita, come un razzo, creando un nuovo buco nero che può sparare alla velocità di 5, 000 chilometri al secondo, quindi, follemente veloce, "Dice Rodriguez. "Ci vuole solo un calcio di qualche decina o un centinaio di chilometri al secondo per sfuggire a uno di questi ammassi".

A causa di questo effetto, gli scienziati hanno ampiamente immaginato che il prodotto di qualsiasi fusione di buchi neri sarebbe stato espulso dall'ammasso, poiché si presumeva che la maggior parte dei buchi neri ruotasse rapidamente.

Questa ipotesi, però, sembra contraddire le misurazioni di LIGO, che finora ha rilevato solo buchi neri binari con bassi spin. Per testare le implicazioni di ciò, Rodriguez ha ridotto i giri dei buchi neri nelle sue simulazioni e ha scoperto che in questo scenario, quasi il 20% dei buchi neri binari degli ammassi aveva almeno un buco nero che si era formato in una precedente fusione. Perché sono stati formati da altri buchi neri, alcuni di questi buchi neri di seconda generazione possono essere compresi tra 50 e 130 masse solari. Gli scienziati ritengono che i buchi neri di questa massa non possano formarsi da una singola stella.

Rodriguez afferma che se i telescopi a onde gravitazionali come LIGO rilevano un oggetto con una massa all'interno di questo intervallo, c'è una buona probabilità che non provenga da una sola stella che crolla, ma da un denso ammasso stellare.

"Io e i miei coautori abbiamo scommesso contro un paio di persone che studiano la formazione di stelle binarie che nei primi 100 rilevamenti di LIGO, LIGO rileverà qualcosa all'interno di questo divario di massa superiore, " dice Rodriguez. "Prendo una bella bottiglia di vino se è vero."