Il concetto di questo artista illustra uno schema gerarchico per unire i buchi neri. LIGO e Virgo hanno recentemente osservato una fusione di buchi neri con una massa finale di 142 volte quella del sole, rendendolo il più grande del suo genere osservato nelle onde gravitazionali fino ad oggi. Si pensa che l'evento si sia verificato quando due buchi neri di circa 65 e 85 masse solari si sono a spirale l'uno nell'altro e si sono uniti. I modelli teorici indicano che è improbabile che la natura formi buchi neri di questo peso; in particolare i modelli individuano un range di masse compreso tra 65 e 130 masse solari, chiamato "gap di massa di instabilità di coppia, " in cui si pensa che i buchi neri non possano essere formati da una stella in collasso. Quindi come hanno avuto origine i due buchi neri in fusione osservati da LIGO e Virgo? Gli scienziati pensano che questi buchi neri potrebbero essersi formati dalle precedenti fusioni di due più piccoli buchi neri buchi, come indicato nell'illustrazione. Credito:LIGO/Caltech/MIT/R. Ferita (IPAC)
Per tutto il suo vasto vuoto, l'universo brulica di attività sotto forma di onde gravitazionali. Prodotto da fenomeni astrofisici estremi, questi riverberi si increspano e scuotono il tessuto dello spazio-tempo, come il clangore di una campana cosmica.
Ora i ricercatori hanno rilevato un segnale da quella che potrebbe essere la più massiccia fusione di buchi neri mai osservata nelle onde gravitazionali. Il prodotto della fusione è la prima chiara individuazione di un buco nero di "massa intermedia", con massa compresa tra 100 e 1, 000 volte quella del sole.
Hanno rilevato il segnale, che hanno etichettato GW190521, il 21 maggio, 2019, con il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation, un paio di identici, interferometri lunghi 4 chilometri negli Stati Uniti; e Vergine, un rivelatore lungo 3 chilometri in Italia.
Il segnale, simile a circa quattro brevi dimensioni, è estremamente breve nella durata, durata inferiore a un decimo di secondo. Da quello che possono dire i ricercatori, GW190521 è stato generato da una sorgente a circa 5 gigaparsec di distanza, quando l'universo aveva circa la metà della sua età, rendendola una delle sorgenti di onde gravitazionali più lontane finora rilevate.
Quanto a ciò che ha prodotto questo segnale, basato su una potente suite di strumenti computazionali e di modellazione all'avanguardia, gli scienziati pensano che GW190521 sia stato molto probabilmente generato da una fusione binaria di buchi neri con proprietà insolite.
Quasi tutti i segnali di onde gravitazionali confermati fino ad oggi provengono da una fusione binaria, tra due buchi neri o due stelle di neutroni. Questa nuova fusione sembra essere la più massiccia finora, coinvolgendo due buchi neri inspiranti con masse di circa 85 e 66 volte la massa del sole.
Il team LIGO-Virgo ha anche misurato la rotazione di ogni buco nero e ha scoperto che mentre i buchi neri giravano sempre più vicini, avrebbero potuto girare intorno ai propri assi, ad angoli che erano fuori allineamento con l'asse della loro orbita. Gli spin disallineati dei buchi neri probabilmente hanno causato l'oscillazione delle loro orbite, o "precesso, " mentre i due Golia si avvicinavano a spirale l'uno verso l'altro.
Il nuovo segnale rappresenta probabilmente l'istante in cui i due buchi neri si sono fusi. La fusione ha creato un buco nero ancora più massiccio, di circa 142 masse solari, e liberato un'enorme quantità di energia, equivalente a circa 8 masse solari, diffuso nell'universo sotto forma di onde gravitazionali.
"Questo non assomiglia molto a un cinguettio, che è ciò che di solito rileviamo, "dice il membro della Vergine Nelson Christensen, ricercatore presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), confrontando il segnale con il primo rilevamento di onde gravitazionali di LIGO nel 2015. "Questo è più simile a qualcosa che fa 'bang, ' ed è il segnale più massiccio che LIGO e Virgo abbiano mai visto."
Il team internazionale di scienziati, che compongono la LIGO Scientific Collaboration (LSC) e la Virgo Collaboration, hanno riportato i loro risultati in due articoli pubblicati oggi. Uno, che appare in Lettere di revisione fisica , dettagli la scoperta, e l'altro, in Le Lettere del Giornale Astrofisico , discute le proprietà fisiche del segnale e le implicazioni astrofisiche.
"LIGO ci sorprende ancora una volta non solo con il rilevamento di buchi neri di dimensioni difficili da spiegare, ma farlo usando tecniche che non sono state progettate specificamente per fusioni stellari, "dice Pedro Marronetti, direttore del programma per la fisica gravitazionale presso la National Science Foundation. "Questo è di enorme importanza poiché mette in mostra la capacità dello strumento di rilevare segnali da eventi astrofisici completamente imprevisti. LIGO mostra che può anche osservare l'inaspettato".
Nel divario di massa
Le masse straordinariamente grandi dei due buchi neri ispiratori, così come il buco nero finale, sollevano una sfilza di domande sulla loro formazione.
Tutti i buchi neri osservati fino ad oggi rientrano in una delle due categorie:buchi neri di massa stellare, che misurano da poche masse solari fino a decine di masse solari e si pensa si formino quando muoiono stelle massicce; o buchi neri supermassicci, come quello al centro della galassia della Via Lattea, che provengono da centinaia di migliaia, miliardi di volte quella del nostro sole.
Però, l'ultimo buco nero di 142 massa solare prodotto dalla fusione GW190521 si trova all'interno di un intervallo di massa intermedio tra la massa stellare e i buchi neri supermassicci, il primo del suo genere mai rilevato.
Anche i due buchi neri progenitori che hanno prodotto il buco nero finale sembrano essere unici nelle loro dimensioni. Sono così massicci che gli scienziati sospettano che uno o entrambi potrebbero non essersi formati da una stella in collasso, come fanno la maggior parte dei buchi neri di massa stellare.
Secondo la fisica dell'evoluzione stellare, la pressione verso l'esterno dei fotoni e il gas nel nucleo di una stella la sostengono contro la forza di gravità che spinge verso l'interno, in modo che la stella sia stabile, come il sole. Dopo che il nucleo di una stella massiccia fonde nuclei pesanti come il ferro, non può più produrre abbastanza pressione per sostenere gli strati esterni. Quando questa pressione verso l'esterno è inferiore alla gravità, la stella crolla sotto il suo stesso peso, in un'esplosione chiamata supernova con collasso del nucleo, che può lasciare un buco nero.
Questo processo può spiegare come stelle massicce come 130 masse solari possano produrre buchi neri fino a 65 masse solari. Ma per le stelle più pesanti, si pensa che si manifesti un fenomeno noto come "instabilità di coppia". Quando i fotoni del nucleo diventano estremamente energetici, possono trasformarsi in una coppia di elettroni e antielettroni. Queste coppie generano meno pressione dei fotoni, rendendo la stella instabile contro il collasso gravitazionale, e l'esplosione risultante è abbastanza forte da non lasciare nulla dietro. Stelle ancora più massicce, oltre 200 masse solari, alla fine collasserebbe direttamente in un buco nero di almeno 120 masse solari. Una stella che crolla, poi, non dovrebbe essere in grado di produrre un buco nero tra circa 65 e 120 masse solari, un intervallo noto come "gap di massa di instabilità di coppia".
Ma ora, il più pesante dei due buchi neri che ha prodotto il segnale GW190521, a 85 masse solari, è il primo finora rilevato all'interno del gap di massa di instabilità di coppia.
"Il fatto che stiamo vedendo un buco nero in questo divario di massa farà grattare la testa a molti astrofisici e cercherà di capire come sono stati fatti questi buchi neri, "dice Christensen, che è il direttore del Laboratorio Artemis presso l'Osservatorio di Nizza in Francia.
Una possibilità, che i ricercatori considerano nel loro secondo articolo, è di una fusione gerarchica, in cui i due buchi neri progenitori stessi potrebbero essersi formati dalla fusione di due buchi neri più piccoli, prima di migrare insieme ed eventualmente fondersi.
"Questo evento apre più domande che risposte, " dice il membro di LIGO Alan Weinstein, professore di fisica al Caltech. "Dal punto di vista della scoperta e della fisica, è una cosa molto eccitante".
"Qualcosa di inaspettato"
Rimangono molte domande riguardo a GW190521.
Mentre i rilevatori LIGO e Virgo ascoltano le onde gravitazionali che passano attraverso la Terra, le ricerche automatizzate setacciano i dati in entrata alla ricerca di segnali interessanti. Queste ricerche possono utilizzare due metodi diversi:algoritmi che individuano modelli d'onda specifici nei dati che potrebbero essere stati prodotti da sistemi binari compatti; e ricerche più generali "a raffica", che essenzialmente cercano qualcosa fuori dall'ordinario.
Salvatore Vitale, socio LIGO, assistente professore di fisica al MIT, paragona le ricerche binarie compatte a "passare un pettine attraverso i dati, che catturerà le cose in un certo spazio, " in contrasto con le ricerche burst che sono più un approccio "catch-all".
Nel caso di GW190521, è stata una ricerca a raffica che ha raccolto il segnale in modo leggermente più chiaro, aprendo la piccolissima possibilità che le onde gravitazionali provenissero da qualcosa di diverso da una fusione binaria.
"L'asticella per affermare che abbiamo scoperto qualcosa di nuovo è molto alta, " Dice Weinstein. "Quindi di solito applichiamo il rasoio di Occam:la soluzione più semplice è la migliore, che in questo caso è un buco nero binario."
Ma cosa accadrebbe se qualcosa di completamente nuovo producesse queste onde gravitazionali? È una prospettiva allettante, e nel loro articolo gli scienziati considerano brevemente altre fonti nell'universo che potrebbero aver prodotto il segnale che hanno rilevato. Ad esempio, forse le onde gravitazionali sono state emesse da una stella in collasso nella nostra galassia. Il segnale potrebbe anche provenire da una stringa cosmica prodotta subito dopo che l'universo si è gonfiato nei suoi primi momenti, sebbene nessuna di queste possibilità esotiche corrisponda ai dati e a una fusione binaria.
"Da quando abbiamo acceso LIGO per la prima volta, tutto ciò che abbiamo osservato con sicurezza è stata una collisione di buchi neri o stelle di neutroni, " Weinstein dice "Questo è l'unico evento in cui la nostra analisi consente la possibilità che questo evento non sia una tale collisione. Sebbene questo evento sia coerente con il fatto che provenga da una fusione di buchi neri binari eccezionalmente massiccia, e le spiegazioni alternative sono sfavorevoli, sta spingendo i confini della nostra fiducia. E questo potenzialmente lo rende estremamente eccitante. Perché tutti noi abbiamo sperato in qualcosa di nuovo, qualcosa di inaspettato, che potrebbe mettere in discussione ciò che abbiamo già imparato. Questo evento ha il potenziale per farlo".
