Se la teoria della relatività generale di Albert Einstein è vera, poi un buco nero, nato dalle collisioni cosmicamente tremanti di due enormi buchi neri, dovrebbe esso stesso "squillare" in seguito, producendo onde gravitazionali molto simili a una campana suonata, riverbera le onde sonore. Einstein ha predetto che il particolare passo e decadimento di queste onde gravitazionali dovrebbe essere una firma diretta della massa e dello spin del buco nero appena formato.

Ora, i fisici del MIT e di altri paesi hanno "sentito" per la prima volta il suono di un buco nero infantile, e ho scoperto che lo schema di questo squillo lo fa, infatti, predire la massa e lo spin del buco nero:ulteriori prove che Einstein aveva sempre ragione.

Le scoperte, pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , favoriscono anche l'idea che i buchi neri non abbiano alcun tipo di "capelli", una metafora che si riferisce all'idea che i buchi neri, secondo la teoria di Einstein, dovrebbe esibire solo tre proprietà osservabili:massa, rotazione, e carica elettrica. Tutte le altre caratteristiche, che il fisico John Wheeler chiamava "capelli, "dovrebbe essere inghiottito dal buco nero stesso, e sarebbe quindi inosservabile.

Le scoperte del team di oggi supportano l'idea che i buchi neri siano, infatti, senza peli. I ricercatori sono stati in grado di identificare il modello del suono di un buco nero, e, usando le equazioni di Einstein, calcolato la massa e lo spin che dovrebbe avere il buco nero, dato il suo modello di squillo. Questi calcoli corrispondevano alle misurazioni della massa e dello spin del buco nero effettuate in precedenza da altri.

Se i calcoli del team deviavano significativamente dalle misurazioni, avrebbe suggerito che il suono del buco nero codifica proprietà diverse dalla massa, rotazione, e la carica elettrica:prove allettanti della fisica oltre ciò che la teoria di Einstein può spiegare. Ma a quanto pare, lo schema di suono del buco nero è una firma diretta della sua massa e rotazione, dando sostegno all'idea che i buchi neri siano giganti dalla faccia pelata, privo di qualsiasi estraneo, proprietà simili ai capelli.

"Ci aspettiamo tutti che la relatività generale sia corretta, ma questa è la prima volta che lo confermiamo in questo modo, " dice l'autore principale dello studio, Massimiliano Isi, un Einstein Fellow della NASA presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. "Questa è la prima misurazione sperimentale che riesce a testare direttamente il teorema senza capelli. Ciò non significa che i buchi neri non possano avere capelli. Significa che l'immagine dei buchi neri senza capelli vive per un altro giorno".

un cinguettio, decodificato

Il 9 settembre, 2015, gli scienziati hanno rilevato per la prima volta onde gravitazionali, increspature infinitesimali nello spazio-tempo, proveniente da lontano, violenti fenomeni cosmici. Il rilevamento, denominato GW150914, è stato realizzato da LIGO, l'Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser. Una volta che gli scienziati hanno eliminato il rumore e hanno ingrandito il segnale, osservarono una forma d'onda che cresceva rapidamente prima di svanire. Quando tradussero il segnale in suono, hanno sentito qualcosa che assomigliava a un "cinguettio".

Gli scienziati hanno determinato che le onde gravitazionali sono state innescate dalla rapida inspirazione di due enormi buchi neri. Il picco del segnale, la parte più forte del cinguettio, è collegato al momento esatto in cui i buchi neri si sono scontrati, fondersi in un unico, nuovo buco nero. Mentre questo buco nero infantile probabilmente emetteva onde gravitazionali proprie, il suo suono caratteristico, i fisici presumevano, sarebbe troppo debole per essere decifrato nel clamore della collisione iniziale.

Isi e i suoi colleghi, però, trovato un modo per estrarre il riverbero del buco nero dai momenti immediatamente successivi al picco del segnale. In un lavoro precedente condotto dal coautore di Isi, Matteo Giesler, il team ha mostrato attraverso simulazioni che un tale segnale, e in particolare la porzione subito dopo il picco, contiene "sottotoni":una famiglia di suoni forti, toni di breve durata. Quando hanno rianalizzato il segnale, tenendo conto delle sfumature, i ricercatori hanno scoperto che potevano isolare con successo un modello di squillo specifico per un buco nero appena formato.

Nel nuovo documento della squadra, i ricercatori hanno applicato questa tecnica ai dati effettivi del rilevamento GW150914, concentrandosi sugli ultimi millisecondi del segnale, immediatamente dopo il picco del cinguettio. Tenendo conto dei toni del segnale, potevano discernere uno squillo proveniente dal nuovo, buco nero infantile. Nello specifico, hanno individuato due toni distinti, ciascuno con un tono e un tasso di decadimento che erano in grado di misurare.

"Rileviamo un segnale di onde gravitazionali complessivo composto da più frequenze, che svaniscono a ritmi diversi, come le diverse altezze che compongono un suono, " dice Isi. "Ogni frequenza o tono corrisponde a una frequenza vibrazionale del nuovo buco nero".

Ascoltare oltre Einstein

La teoria della relatività generale di Einstein prevede che l'altezza e il decadimento delle onde gravitazionali di un buco nero dovrebbero essere un prodotto diretto della sua massa e del suo spin. Questo è, un buco nero di una data massa e spin può produrre solo toni di un certo tono e decadimento. Come prova della teoria di Einstein, il team ha usato le equazioni della relatività generale per calcolare la massa e lo spin del buco nero appena formato, data l'altezza e il decadimento dei due toni che hanno rilevato.

Hanno scoperto che i loro calcoli corrispondevano alle misurazioni della massa e dello spin del buco nero precedentemente effettuate da altri. Isi afferma che i risultati dimostrano che i ricercatori possono, infatti, usa il più forte, parti più rilevabili di un segnale di onde gravitazionali per discernere il suono di un nuovo buco nero, dove prima, gli scienziati presumevano che questo suono potesse essere rilevato solo all'interno dell'estremità molto più debole del segnale dell'onda gravitazionale, e solo con strumenti molto più sensibili di quelli attualmente esistenti.

"Questo è eccitante per la comunità perché mostra che questo tipo di studi è possibile ora, non tra 20 anni, "dice Isi.

Man mano che LIGO migliora la sua risoluzione, e strumenti più sensibili saranno online in futuro, i ricercatori potranno utilizzare i metodi del gruppo per "sentire" il ronzio di altri buchi neri appena nati. E se per caso raccolgono toni che non corrispondono esattamente alle previsioni di Einstein, potrebbe essere una prospettiva ancora più eccitante.

"Nel futuro, avremo rilevatori migliori sulla Terra e nello spazio, e potrà vederne non solo due, ma decine di modalità, e definire con precisione le loro proprietà, " dice Isi. "Se questi non sono buchi neri come prevede Einstein, se sono oggetti più esotici come wormhole o stelle di bosoni, potrebbero non suonare allo stesso modo, e avremo la possibilità di vederli".