Ricercatori del Max Planck Institute for Gravitational Physics, Il Rochester Institute of Technology e il Perimeter Institute for Theoretical Physics hanno recentemente raccolto forti prove numeriche per un nuovo fenomeno che si verifica all'interno dei buchi neri binari. Nel loro studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica , hanno raccolto osservazioni che potrebbero offrire nuove entusiasmanti informazioni sulla fusione di superfici intrappolate marginalmente esterne (MOTS) in un buco nero binario (BBH), un sistema costituito da due buchi neri in orbita stretta l'uno intorno all'altro.

"È un fatto sottovalutato che gli orizzonti degli eventi non siano molto utili per studiare le proprietà astrofisiche delle fusioni di buchi neri, " I ricercatori hanno detto a Phys.org via e-mail. "Ciò che è molto più utile sono le superfici che vanno sotto il nome noioso di superfici intrappolate marginalmente esterne (superfici marginali o MOTS in breve). Questo nome poco interessante nasconde la loro importanza nella comprensione dei buchi neri".

Negli ultimi 15-20 anni, due degli autori del recente articolo, Badri Krishnan ed Erik Schnetter, hanno sviluppato modi di utilizzare le superfici marginali per calcolare, tra l'altro, massa del buco nero e momento angolare. Nonostante i loro successi in questo campo, non sono stati in grado di rispondere a una domanda chiave:i MOTS si fondono in una coalescenza BBH, e se così fosse, come, Esattamente?

I ricercatori erano ansiosi di saperne di più su questa fusione, oltre a svelare eventuali caratteristiche topologiche interessanti che possono essere nascoste al suo interno. Daniel Pook-Kolb, un altro autore dell'articolo e un dottorato di ricerca. studente al Max Planck Institute, decise così di approfondire questo argomento nella sua tesi.

"Per capire la fusione, dobbiamo individuare superfici marginali molto distorte, un compito numericamente impegnativo che ha sconfitto tutti gli studi precedenti, " hanno detto i ricercatori. "Abbiamo sviluppato una nuova tecnica numerica per questo compito e ci siamo avvicinati sempre di più al punto di fusione. Ancora, anche i nostri metodi non funzionano molto vicino alla fusione, dove appaiono superfici con cuspidi."

Poiché i ricercatori non sono stati in grado di ottenere le informazioni che stavano cercando nei loro studi precedenti, hanno continuato a cercare percorsi diversi per indagare sulla fusione dei MOTS in un sistema BBH. Infine, Schnetter ha avuto una nuova idea per affrontare questo argomento, che ha comportato la ricerca di superfici con anelli intersecanti.

Quando ha proposto questo al resto della squadra, Krishnan era alquanto scettico, poiché nessuna letteratura precedente aveva esplorato questa idea prima, ma Pook-Kolb ha deciso di indagare a prescindere e cercare tali superfici. Alla fine si è scoperto che tali caratteristiche topologiche esistono, e che potevano, infatti, essere caratteristiche generiche delle fusioni di buchi neri.

Essenzialmente, i ricercatori hanno simulato la collisione frontale di due buchi neri non rotanti con masse disuguali. In queste simulazioni, hanno osservato che il MOTS associato al buco nero finale risultante da una fusione BBH si unisce alle due superfici inizialmente disgiunte che corrispondono ai due buchi neri iniziali nel sistema.

Ciò si traduce in una sequenza connessa di MOTS che interpolano tra lo stato iniziale e finale del BBH, fino a quando non avviene la fusione tra i due buchi neri. In definitiva, i loro risultati evidenziano un cambiamento di topologia nella fusione delle superfici marginali.

Le osservazioni raccolte nelle loro simulazioni suggeriscono anche l'esistenza di un MOTS con autointersezioni che si forma subito dopo la fusione. I ricercatori, però, si aspettano che un'altra delle loro scoperte avrà implicazioni molto maggiori per le future osservazioni delle onde gravitazionali.

"Poiché ora abbiamo una sequenza di superfici marginali che ci porta dai due buchi neri inizialmente disgiunti a quello finale, possiamo calcolare in dettaglio come si comportano le quantità fisiche dei buchi neri durante la fusione, "Sarebbe particolarmente interessante trovare caratteristiche simili nei segnali delle onde gravitazionali osservati:possiamo quindi giustamente affermare di comprendere osservativamente cosa accade all'interno di un orizzonte degli eventi di un buco nero".

Le prove numeriche raccolte da Pook-Kolb, Schnetter, Krishnan e il loro collega Ofek Birnholtz offrono nuove affascinanti intuizioni sulle fusioni BBH. Nel futuro, le loro osservazioni potrebbero aprire la strada a nuovi studi, compresi i tentativi di dimostrare matematicamente la disuguaglianza di Penrose per le configurazioni astrofisiche generiche di BBH.

I ricercatori stanno ora progettando di provare a generalizzare la loro idea ad altre fusioni di buchi neri, come quelli osservati dalla collaborazione LIGO. Ciò potrebbe rendere la teoria elaborata utilizzabile da una comunità di ricerca molto più ampia.

"Il lavoro per generalizzare la nostra idea a fusioni generiche è in corso, e ora stanno arrivando i primi risultati basati sulla stessa teoria, " hanno detto i ricercatori. "Siamo estremamente entusiasti di vedere cosa ci aspetta nelle simulazioni di fusioni realistiche completamente generali!"

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