Gli astronomi hanno individuato una lontana coppia di buchi neri titanici diretti a una collisione.

La massa di ogni buco nero è più di 800 milioni di volte quella del nostro sole. Mentre i due si avvicinano gradualmente in una spirale di morte, inizieranno a inviare onde gravitazionali che si increspano nello spazio-tempo. Quelle increspature cosmiche si uniranno al rumore di fondo non ancora rilevato delle onde gravitazionali di altri buchi neri supermassicci.

Anche prima della collisione destinata, le onde gravitazionali emanate dalla coppia di buchi neri supermassicci faranno impallidire quelle precedentemente rilevate dalle fusioni di buchi neri e stelle di neutroni molto più piccoli.

"I binari dei buchi neri supermassicci producono le onde gravitazionali più rumorose dell'universo, " dice la co-scopritrice Chiara Mingarelli, ricercatore associato presso il Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute di New York City. Le onde gravitazionali di coppie di buchi neri supermassicci "sono un milione di volte più forti di quelle rilevate da LIGO".

Lo studio è stato condotto da Andy Goulding, uno studioso di ricerca associato presso la Princeton University. Goulding, Mingarelli e collaboratori di Princeton e del Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti a Washington, DC, segnala la scoperta il 10 luglio in Il Lettere per riviste astrofisiche .

I due buchi neri supermassicci sono particolarmente interessanti perché distano circa 2,5 miliardi di anni luce dalla Terra. Poiché guardare oggetti lontani in astronomia è come guardare indietro nel tempo, la coppia appartiene a un universo di 2,5 miliardi di anni più giovane del nostro. Coincidentalmente, è all'incirca la stessa quantità di tempo che gli astronomi stimano che i buchi neri impiegheranno per iniziare a produrre potenti onde gravitazionali.

Nell'universo odierno, i buchi neri stanno già emettendo queste onde gravitazionali, ma anche alla velocità della luce le onde non ci raggiungeranno per miliardi di anni. Il duo è ancora utile, anche se. La loro scoperta può aiutare gli scienziati a stimare quanti buchi neri supermassicci nelle vicinanze stanno emettendo onde gravitazionali che potremmo rilevare in questo momento.

Rilevare lo sfondo delle onde gravitazionali aiuterà a risolvere alcune delle più grandi incognite in astronomia, come la frequenza con cui le galassie si fondono e se le coppie di buchi neri supermassicci si fondono o rimangono bloccate in un valzer quasi infinito l'una intorno all'altra.

"È un grande imbarazzo per l'astronomia che non sappiamo se i buchi neri supermassicci si fondono, ", afferma la coautrice dello studio Jenny Greene, professore di scienze astrofisiche a Princeton. "Per tutti coloro che si occupano di fisica dei buchi neri, osservativamente questo è un enigma di vecchia data che dobbiamo risolvere".

I buchi neri supermassicci contengono milioni o addirittura miliardi di masse solari. Quasi tutte le galassie, compresa la Via Lattea, contengono almeno uno dei colossi al loro interno. Quando le galassie si fondono, i loro buchi neri supermassicci si incontrano e iniziano a orbitare l'uno verso l'altro. Col tempo, questa orbita si restringe mentre il gas e le stelle passano tra i buchi neri e rubano energia.

Una volta che i buchi neri supermassicci si saranno avvicinati abbastanza, anche se, questo furto di energia quasi si ferma. Alcuni studi teorici suggeriscono che i buchi neri si fermino a circa 1 parsec (circa 3,2 anni luce) l'uno dall'altro. Questo rallentamento dura quasi indefinitamente ed è noto come il problema del parsec finale. In questo scenario, solo gruppi molto rari di tre o più buchi neri supermassicci danno luogo a fusioni.

Gli astronomi non possono semplicemente cercare coppie in stallo perché molto prima che i buchi neri siano distanti 1 parsec, sono troppo vicini per distinguerli come due oggetti separati. Inoltre, non producono forti onde gravitazionali finché non superano l'ostacolo del parsec finale e non si avvicinano. (Osservato come erano 2,5 miliardi di anni fa, i nuovi buchi neri supermassicci appaiono a circa 430 parsec di distanza.)

Se il problema del parsec finale non esiste, quindi gli astronomi si aspettano che l'universo sia riempito dal clamore delle onde gravitazionali provenienti da coppie di buchi neri supermassicci. "Questo rumore è chiamato il fondo dell'onda gravitazionale, ed è un po' come un caotico coro di grilli che cinguettano nella notte, " dice Goulding. "Non puoi distinguere un grillo da un altro, ma il volume del rumore ti aiuta a stimare quanti grilli ci sono là fuori." (Quando due buchi neri supermassicci finalmente si scontrano e si combinano, mandano un cinguettio tonante che fa impallidire tutti gli altri. Un evento del genere è breve e straordinariamente raro, anche se, quindi gli scienziati non si aspettano di rilevarne uno in tempi brevi.)

Le onde gravitazionali generate da coppie di buchi neri supermassicci sono al di fuori delle frequenze attualmente osservabili da esperimenti come LIGO e Virgo. Anziché, I cacciatori di onde gravitazionali si affidano a schiere di stelle speciali chiamate pulsar che agiscono come metronomi. Le stelle che ruotano rapidamente inviano onde radio a un ritmo costante. Se un'onda gravitazionale in transito allunga o comprime lo spazio tra la Terra e la pulsar, il ritmo è leggermente sbilanciato.

Rilevare lo sfondo dell'onda gravitazionale utilizzando uno di questi array di temporizzazione pulsar richiede pazienza e un sacco di stelle monitorate. Il ritmo di una singola pulsar potrebbe essere interrotto solo da poche centinaia di nanosecondi in un decennio. Più forte è il rumore di fondo, maggiore è l'interruzione del tempo e prima verrà effettuato il primo rilevamento.

Goulding, Greene e gli altri astronomi osservativi del team hanno rilevato i due titani con il telescopio spaziale Hubble. Sebbene i buchi neri supermassicci non siano direttamente visibili attraverso un telescopio ottico, sono circondati da ammassi luminosi di stelle luminose e gas caldo attratto dal potente rimorchiatore gravitazionale. Per il suo tempo nella storia, la galassia che ospita la nuova coppia di buchi neri supermassicci "è fondamentalmente la galassia più luminosa dell'universo, " dice Goulding. Inoltre, il nucleo della galassia sta emettendo due pennacchi di gas insolitamente colossali. Dopo che i ricercatori hanno puntato il telescopio spaziale Hubble verso la galassia per scoprire le origini delle sue spettacolari nubi di gas, scoprirono che il sistema conteneva non uno ma due enormi buchi neri.

Gli osservatori hanno poi collaborato con i fisici delle onde gravitazionali Mingarelli e lo studente laureato di Princeton Kris Pardo per interpretare la scoperta nel contesto del fondo delle onde gravitazionali. La scoperta fornisce un punto di ancoraggio per stimare quante coppie di buchi neri supermassicci si trovano entro la distanza di rilevamento della Terra. Stime precedenti si basavano su modelli informatici di quanto spesso le galassie si fondono, piuttosto che osservazioni reali di coppie di buchi neri supermassicci.

Sulla base dei risultati, Pardo e Mingarelli prevedono che in uno scenario ottimistico ci siano circa 112 buchi neri supermassicci vicini che emettono onde gravitazionali. La prima rilevazione del fondo delle onde gravitazionali da buchi neri supermassicci dovrebbe quindi avvenire entro i prossimi cinque anni circa. Se tale rilevamento non viene effettuato, questa sarebbe la prova che il problema del parsec finale potrebbe essere insormontabile. Il team sta attualmente esaminando altre galassie simili a quella che ospita la nuova coppia di buchi neri supermassicci. Trovare altre coppie li aiuterà a perfezionare ulteriormente le loro previsioni.