Simulazione numerica di due buchi neri che si muovono a spirale verso l'interno e si fondono, emissione di onde gravitazionali. Il segnale dell'onda gravitazionale simulato è coerente con l'osservazione fatta dai rilevatori di onde gravitazionali LIGO e Virgo il 21 maggio, 2019 (GW190521). Credito:N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Istituto Max Planck di Fisica Gravitazionale), Simulazione della collaborazione eXtreme Spacetimes (SXS).
Gli scienziati hanno osservato quello che sembra essere un buco nero ingombrante che si intreccia con uno più ordinario. Il gruppo di ricerca, che comprende fisici dell'Università del Maryland, ha rilevato la fusione di due buchi neri, ma uno dei buchi neri era 1 1/2 volte più massiccio di qualsiasi altro mai osservato in una collisione di buchi neri. I ricercatori ritengono che il buco nero più pesante nella coppia possa essere il risultato di una precedente fusione tra due buchi neri. Questo tipo di combinazione gerarchica di buchi neri è stato ipotizzato in passato ma l'evento osservato, etichettato GW190521, sarebbe la prima prova di tale attività. Il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Scientific Collaboration (LSC) e Virgo Collaboration hanno annunciato la scoperta in due articoli pubblicati il 2 settembre. 2020, sui giornali Lettere di revisione fisica e Lettere per riviste astrofisiche .
Gli scienziati hanno identificato i buchi neri in fusione rilevando le onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio-tempo, prodotte nei momenti finali della fusione. Le onde gravitazionali di GW190521 sono state rilevate il 21 maggio, 2019, dai rivelatori gemelli LIGO situati a Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, e il rivelatore Virgo situato vicino a Pisa, Italia.
"La massa del buco nero più grande nella coppia lo mette nell'intervallo in cui è inaspettato dai normali processi astrofisici, " ha detto Peter Shawhan, un professore di fisica all'UMD, un investigatore principale LSC e il coordinatore scientifico osservazionale LSC. "Sembra troppo massiccio per essere stato formato da una stella collassata, che è da dove generalmente provengono i buchi neri."
Il buco nero più grande nella coppia che si fonde ha una massa 85 volte maggiore del sole. Uno scenario possibile suggerito dai nuovi documenti è che l'oggetto più grande potrebbe essere stato il risultato di una precedente fusione di buchi neri piuttosto che di una singola stella in collasso. Secondo l'attuale comprensione, le stelle che potrebbero dare vita a buchi neri con massa compresa tra 65 e 135 volte maggiore del sole non collassano quando muoiono. Perciò, non ci aspettiamo che formino buchi neri.
"Fin dall'inizio, questo segnale, che dura solo un decimo di secondo, ci ha sfidato nell'identificare la sua origine, " disse Alessandra Buonanno, un professore del College Park all'UMD e un investigatore principale dell'LSC che ha anche un incarico di direttore presso l'Istituto Max Planck per la fisica gravitazionale a Potsdam, Germania. "Ma, nonostante la sua breve durata, siamo stati in grado di abbinare il segnale a quello previsto dalle fusioni di buchi neri, come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein, e ci siamo resi conto di aver assistito, per la prima volta, la nascita di un buco nero di massa intermedia da un genitore di un buco nero che molto probabilmente è nato da una precedente fusione binaria".
GW190521 è una delle tre recenti scoperte di onde gravitazionali che sfidano l'attuale comprensione dei buchi neri e consentono agli scienziati di testare la teoria della relatività generale di Einstein in nuovi modi. Gli altri due eventi includevano la prima fusione osservata di due buchi neri con masse nettamente disuguali e una fusione tra un buco nero e un oggetto misterioso, che potrebbe essere il più piccolo buco nero o la più grande stella di neutroni mai osservata. Un documento di ricerca che descrive quest'ultimo è stato pubblicato in Lettere per riviste astrofisiche il 23 giugno, 2000, mentre un articolo sull'evento precedente sarà pubblicato presto in Revisione fisica D .
"Tutti e tre gli eventi sono nuovi con masse o rapporti di massa che non abbiamo mai visto prima, " ha detto Shawhan, che è anche membro del Joint Space-Science Institute, una partnership tra UMD e il Goddard Space Flight Center della NASA. "Quindi non solo stiamo imparando di più sui buchi neri in generale, ma a causa di queste nuove proprietà, siamo in grado di vedere gli effetti della gravità attorno a questi corpi compatti che non abbiamo mai visto prima. Ci dà l'opportunità di testare la teoria della relatività generale in modi nuovi".
Per esempio, la teoria della relatività generale prevede che i sistemi binari con masse nettamente disuguali produrranno onde gravitazionali con armoniche più elevate, ed è esattamente ciò che gli scienziati hanno potuto osservare per la prima volta.
"Quello che intendiamo quando diciamo armoniche superiori è come la differenza di suono tra un duetto musicale con musicisti che suonano lo stesso strumento rispetto a strumenti diversi, " disse Buonanno, che ha sviluppato i modelli di forme d'onda per osservare le armoniche con il suo gruppo LSC. "Più sottostruttura e complessità ha il binario, ad esempio le masse o gli spin dei buchi neri sono diversi, più ricco è lo spettro della radiazione emessa".
Oltre a queste tre fusioni di buchi neri e a una fusione di stelle di neutroni binarie segnalata in precedenza, la corsa osservativa da aprile 2019 a marzo 2020 ha identificato altri 52 potenziali eventi di onde gravitazionali. Gli eventi sono stati inviati a un sistema di allerta pubblico sviluppato dai membri della collaborazione LIGO e Virgo in un programma originariamente guidato da Shawhan in modo che altri scienziati e membri del pubblico interessati possano valutare i segnali delle onde gravitazionali.
"Gli eventi di onde gravitazionali vengono rilevati regolarmente, "Shawhan ha detto, "e alcuni di loro si stanno rivelando avere proprietà notevoli che stanno ampliando ciò che possiamo imparare sull'astrofisica".
