I buchi neri non sono stazionari nello spazio; infatti, possono essere abbastanza attivi nei loro movimenti. Ma poiché sono completamente scuri e non possono essere osservati direttamente, non sono facili da studiare. Gli scienziati hanno finalmente scoperto il momento preciso di una complicata danza tra due enormi buchi neri, rivelando dettagli nascosti sulle caratteristiche fisiche di questi misteriosi oggetti cosmici.

La galassia OJ 287 ospita uno dei più grandi buchi neri mai scoperti, con oltre 18 miliardi di volte la massa del nostro Sole. In orbita attorno a questo colosso c'è un altro buco nero con circa 150 milioni di volte la massa del Sole. Due volte ogni 12 anni, il buco nero più piccolo si schianta attraverso l'enorme disco di gas che circonda il suo compagno più grande, creando un lampo di luce più luminoso di un trilione di stelle, più luminoso, anche, dell'intera galassia della Via Lattea. La luce impiega 3,5 miliardi di anni per raggiungere la Terra.

Ma l'orbita del buco nero più piccolo è oblunga, non circolare, ed è irregolare:cambia posizione ad ogni anello attorno al buco nero più grande ed è inclinato rispetto al disco di gas. Quando il buco nero più piccolo si schianta attraverso il disco, crea due bolle in espansione di gas caldo che si allontanano dal disco in direzioni opposte, e in meno di 48 ore il sistema sembra quadruplicare la luminosità.

A causa dell'orbita irregolare, il buco nero si scontra con il disco in momenti diversi durante ogni orbita di 12 anni. A volte i brillamenti compaiono a distanza di un anno l'uno dall'altro; altri tempi, fino a 10 anni di distanza. I tentativi di modellare l'orbita e prevedere quando si sarebbero verificati i brillamenti hanno richiesto decenni, ma nel 2010 gli scienziati hanno creato un modello in grado di prevedere il loro verificarsi entro circa una o tre settimane. Hanno dimostrato che il loro modello era corretto prevedendo la comparsa di un brillamento nel dicembre 2015 entro tre settimane.

Quindi, nel 2018, un gruppo di scienziati guidati da Lankeswar Dey, uno studente laureato presso il Tata Institute of Fundamental Research di Mumbai, India, hanno pubblicato un documento con un modello ancora più dettagliato che secondo loro sarebbe stato in grado di prevedere i tempi dei futuri brillamenti entro quattro ore. In un nuovo studio pubblicato su Lettere per riviste astrofisiche , quegli scienziati riferiscono che la loro previsione accurata di un bagliore che si è verificato il 31 luglio, 2019, conferma che il modello è corretto.

L'osservazione di quel bagliore quasi non avvenne. Poiché OJ 287 era dalla parte opposta del Sole rispetto alla Terra, fuori dalla vista di tutti i telescopi a terra e in orbita terrestre, il buco nero non sarebbe tornato in vista di quei telescopi fino all'inizio di settembre, molto tempo dopo che il bagliore era svanito. Ma il sistema era in vista dello Spitzer Space Telescope della NASA, che l'agenzia ha ritirato nel gennaio 2020.

Dopo 16 anni di attività, l'orbita del veicolo spaziale lo aveva posizionato a 158 milioni di miglia (254 milioni di chilometri) dalla Terra, o più di 600 volte la distanza tra la Terra e la Luna. Da questo punto di vista, Spitzer ha potuto osservare il sistema dal 31 luglio (lo stesso giorno in cui era prevista la comparsa del brillamento) fino all'inizio di settembre, quando OJ 287 sarebbe diventato osservabile ai telescopi sulla Terra.

"Quando ho controllato per la prima volta la visibilità della GU 287, Sono rimasto scioccato nello scoprire che è diventato visibile a Spitzer proprio il giorno in cui si prevedeva che si sarebbe verificata la prossima esplosione, " disse Seppo Laine, uno scienziato dello staff associato al Caltech/IPAC di Pasadena, California, che ha supervisionato le osservazioni di Spitzer sul sistema. "È stato estremamente fortunato che siamo riusciti a catturare il picco di questo bagliore con Spitzer, perché nessun altro strumento creato dall'uomo era in grado di raggiungere questa impresa in quel momento specifico."

Increspature nello spazio

Gli scienziati modellano regolarmente le orbite di piccoli oggetti nel nostro sistema solare, come una cometa che gira intorno al Sole, tenendo conto dei fattori che influenzeranno in modo più significativo il loro movimento. Per quella cometa, la gravità del Sole è solitamente la forza dominante, ma l'attrazione gravitazionale dei pianeti vicini può cambiare il suo percorso, pure.

Determinare il moto di due enormi buchi neri è molto più complesso. Gli scienziati devono tenere conto di fattori che potrebbero non avere un impatto notevole sugli oggetti più piccoli; il principale tra questi sono qualcosa chiamato onde gravitazionali. La teoria della relatività generale di Einstein descrive la gravità come la deformazione dello spazio da parte della massa di un oggetto. Quando un oggetto si muove nello spazio, le distorsioni si trasformano in onde. Einstein predisse l'esistenza delle onde gravitazionali nel 1916, ma non sono stati osservati direttamente fino al 2015 dal Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO).

Maggiore è la massa di un oggetto, più grandi ed energiche sono le onde gravitazionali che crea. Nel sistema GU 287, gli scienziati si aspettano che le onde gravitazionali siano così grandi da poter trasportare abbastanza energia dal sistema per alterare in modo misurabile l'orbita del buco nero più piccolo e quindi i tempi dei brillamenti.

Mentre studi precedenti di OJ 287 hanno tenuto conto delle onde gravitazionali, il modello 2018 è ancora il più dettagliato. Incorporando le informazioni raccolte dalle rilevazioni di onde gravitazionali di LIGO, affina la finestra in cui si prevede un flare a solo 1 1/2 giorni.

Per affinare ulteriormente la previsione dei razzi a sole quattro ore, gli scienziati hanno spiegato in dettaglio le caratteristiche fisiche del buco nero più grande. Nello specifico, il nuovo modello incorpora qualcosa chiamato il teorema "senza capelli" dei buchi neri.

Pubblicato negli anni '60 da un gruppo di fisici che includeva Stephen Hawking, il teorema fa una previsione sulla natura delle "superfici" dei buchi neri. Mentre i buchi neri non hanno superfici vere, scientists know there is a boundary around them beyond which nothing—not even light—can escape. Some ideas posit that the outer edge, called the event horizon, could be bumpy or irregular, but the no-hair theorem posits that the "surface" has no such features, not even hair (the theorem's name was a joke).

In altre parole, if one were to cut the black hole down the middle along its rotational axis, the surface would be symmetric. (The Earth's rotational axis is almost perfectly aligned with its North and South Poles. If you cut the planet in half along that axis and compared the two halves, you would find that our planet is mostly symmetric, though features like oceans and mountains create some small variations between the halves.)

Finding Symmetry

Negli anni '70, Caltech professor emeritus Kip Thorne described how this scenario—a satellite orbiting a massive black hole—could potentially reveal whether the black hole's surface was smooth or bumpy. By correctly anticipating the smaller black hole's orbit with such precision, the new model supports the no-hair theorem, meaning our basic understanding of these incredibly strange cosmic objects is correct. The OJ 287 system, in altre parole, supports the idea that black hole surfaces are symmetric along their rotational axes.

So how does the smoothness of the massive black hole's surface impact the timing of the smaller black hole's orbit? That orbit is determined mostly by the mass of the larger black hole. If it grew more massive or shed some of its heft, that would change the size of smaller black hole's orbit. But the distribution of mass matters as well. A massive bulge on one side of the larger black hole would distort the space around it differently than if the black hole were symmetric. That would then alter the smaller black hole's path as it orbits its companion and measurably change the timing of the black hole's collision with the disk on that particular orbit.

"It is important to black hole scientists that we prove or disprove the no-hair theorem. Without it, we cannot trust that black holes as envisaged by Hawking and others exist at all, " said Mauri Valtonen, an astrophysicist at University of Turku in Finland and a coauthor on the paper.