Cuspide del buco nero. Credito:Centro di eccellenza ARC per la scoperta delle onde gravitazionali
Un team di ricercatori sulle onde gravitazionali guidati dall'ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) riferisce che quando due buchi neri si scontrano e si fondono, il buco nero residuo "cinguetta" non una volta, ma più volte, emettendo onde gravitazionali - intense increspature nello spazio e nel tempo del tessuto - che rivelano informazioni sulla sua forma. Il loro studio è stato pubblicato in Fisica delle comunicazioni .
I buchi neri sono tra gli oggetti più affascinanti dell'universo. Alla loro superficie, noto come orizzonte degli eventi, la gravità è così forte che nemmeno la luce può sfuggire. Generalmente, i buchi neri sono oggetti silenziosi che inghiottono tutto ciò che cade troppo vicino a loro; però, quando due buchi neri si scontrano e si fondono, producono uno degli eventi più catastrofici dell'universo:in una frazione di secondo, un buco nero altamente deformato si forma e rilascia enormi quantità di energia mentre si stabilizza al suo stato finale. Questo fenomeno offre agli astronomi un'opportunità unica di osservare buchi neri in rapida evoluzione ed esplorare la gravità nella sua forma più estrema.
Sebbene i buchi neri in collisione non producano luce, gli astronomi possono osservare le onde gravitazionali rilevate che creano:increspature nel tessuto dello spazio e del tempo. Gli scienziati ipotizzano che, dopo una collisione, il comportamento del buco nero residuo è la chiave per comprendere la gravità e dovrebbe essere codificato nelle onde gravitazionali emesse.
Nell'articolo pubblicato su Fisica delle comunicazioni , Gli scienziati, guidato dall'alunno di OzGrav Prof. Juan Calderón Bustillo, riporta come le onde gravitazionali codificano la forma dei buchi neri che si fondono mentre si stabilizzano nella loro forma finale.
Fig. 1. a:Le fasi di una fusione di buchi neri. Primo, entrambi i buchi neri orbitano l'uno intorno all'altro, si avvicina lentamente, durante la fase di ispirazione.. In secondo luogo i due buchi neri si fondono, formando un buco nero distorto. Finalmente, il buco nero raggiunge la sua forma finale. b:Frequenza dei segnali dell'onda gravitazionale osservati dalla sommità dell'urto (più a sinistra) e da varie posizioni sul suo equatore (riposo) in funzione del tempo. Il primo segnale mostra il tipico segnale "cinguettio", in cui la frequenza aumenta in funzione del tempo. Gli altri tre mostrano che, dopo l'urto (a t=0) la frequenza diminuisce e aumenta di nuovo, producendo un secondo “cinguettio”. Credito:C. Evans, J. Calderón Bustillo
Lo studente laureato e coautore Christopher Evans del Georgia Institute of Technology (USA) afferma:"Abbiamo eseguito simulazioni di collisioni di buchi neri utilizzando supercomputer e quindi confrontato la forma in rapida evoluzione del buco nero residuo con le onde gravitazionali che emette. Abbiamo scoperto che questi segnali sono molto più ricchi e complessi di quanto comunemente si pensi, permettendoci di saperne di più sulla forma in grande cambiamento del buco nero finale".
Le onde gravitazionali dei buchi neri in collisione sono semplici segnali noti come "strilli". Quando i due buchi neri si avvicinano, emettono un segnale di frequenza e ampiezza crescenti che indica la velocità e il raggio dell'orbita. Il prof. Calderón Bustillo dice, "Il tono e l'ampiezza del segnale aumentano man mano che i due buchi neri si avvicinano sempre più velocemente. Dopo la collisione, il buco nero residuo finale emette un segnale con un tono costante e un'ampiezza decrescente, come il suono di una campana che viene colpita." Questo principio è coerente con tutte le osservazioni di onde gravitazionali finora quando si studia la collisione dall'alto.
Però, lo studio ha scoperto che succede qualcosa di completamente diverso se la collisione viene osservata dall'"equatore" del buco nero finale. "Quando abbiamo osservato i buchi neri dal loro equatore, abbiamo scoperto che il buco nero finale emette un segnale più complesso, con un passo che va su e giù un paio di volte prima di morire, " dice il prof. Calderón Bustillo. "In altre parole, il buco nero in realtà cinguetta più volte."
Fig. 2. Dettaglio della forma del buco nero residuo dopo la collisione di un buco nero, a “forma di castagna”. Regioni di forte emissione di onde gravitazionali (in giallo) cluster vicino alla sua cuspide. Questo buco nero ruota facendo puntare la cuspide a tutti gli osservatori intorno ad esso. Credito:C. Evans, J. Calderón Bustillo
Il team ha scoperto che questo è legato alla forma del buco nero finale, che agisce come una sorta di faro a onde gravitazionali:"Quando i due buchi neri originari sono di dimensioni diverse, il buco nero finale inizialmente sembra una castagna, con una cuspide da un lato e una più larga, più liscia dall'altra, " dice Bustillo. "Si scopre che il buco nero emette onde gravitazionali più intense attraverso le sue regioni più curve, che sono quelli che circondano la sua cuspide. Questo perché anche il buco nero residuo sta ruotando e la sua cuspide e il suo lato posteriore puntano ripetutamente a tutti gli osservatori, producendo più cinguettii."
Co-autore Prof. Pablo Laguna, ex presidente della School of Physics presso la Georgia Tech e ora professore presso l'Università del Texas ad Austin, disse, "While a relation between the gravitational waves and the behavior of the final black hole has been long conjectured, our study provides the first explicit example of this kind of relation."
