Poco più di un anno fa, il 12 aprile 2019, la collaborazione LIGO-Virgo ha rilevato onde gravitazionali provocate dall’incresparsi nello spazio-tempo della collisione di due buchi neri avvenuta a 2,4 miliardi di anni luce di distanza. Dopo un anno, questo fenomeno appare ormai come quasi ordinario.
Ora gli astronomi hanno rilevato una nuova collisione chiamata GW 190412, qualcosa di mai visto fino ad ora. In questo caso, invece che due buchi neri approssimativamente uguali grandi tra 20 e 40 volte la massa del Sole, GW 190412 è stato prodotto in un sistema binario davvero insolito.
Sulla base dell’analisi delle onde gravitazionali rilevate, gli astronomi hanno scoperto che uno dei buchi neri aveva una massa di circa 29,7 masse solari, mentre l’altro era oltre tre volte più piccolo – solo 8,4 masse solari.
Questo è anche il binario di buchi neri di minore massa finora rilevato – il che è tremendamente eccitante, perché la loro fusione ha prodotto un segnale più lungo di qualsiasi altra fusione tra buchi neri sondata finora, una ricchezza di dati e informazioni tutta da studiare.
“Nessuna di queste masse è troppo sorprendente da sola. Sappiamo che i buchi neri hanno queste dimensioni. La novità è il rapporto tra le masse“, ha spiegato l’astronomo Christopher Berry della Northwestern University e la LIGO Collaboration in un post sul blog.
“Questa osservazione ci consente di testare le nostre previsioni per i segnali delle onde gravitazionali in un modo nuovo, e ci fornisce nuove informazioni su come si formano i buchi neri binari.”
I risultati della collaborazione sono stati presentati al Virtual April Meeting dell’American Physical Society.
Altri eventi di onde gravitazionali sono stati generati da binari di buco nero di massa approssimativamente uguale, e questo si riflette sulla tipologia di segnale. Poiché i buchi neri hanno la stessa massa, ritornano nella stessa posizione relativa con ciascuna orbita.
Ciò si traduce in una frequenza delle onde gravitazionali che è circa il doppio della frequenza orbitale del sistema binario, ovvero quanto tempo impiegano i buchi neri a orbitare l’un l’altro. Ma quando il sistema presenta uno squilibrio di massa significativo, l’orbita è irregolare. Questo produce una seconda frequenza d’onda gravitazionale più debole.
Sorprendentemente, queste frequenze erano l’equivalente di cinque note – qualcosa noto come un quinto perfetto.
Oltre ad essere davvero fantastiche, queste frequenze hanno permesso al team di eseguire anche un altro test della relatività generale. Fondamentalmente, hanno diviso il segnale dell’onda gravitazionale in una parte precedente e in una parte successiva e hanno usato equazioni basate sulla relatività generale per calcolare l’altra parte del segnale per ogni metà.
Le metà si sono abbinate ai calcoli, producendo alcuni dei risultati più affidabili da questo test fino ad oggi.
Sulla base del segnale prodotto da questa insolita fusione, il team è stato in grado di effettuare anche alcune altre misurazioni. Sono stati in grado di determinare che il più grande dei buchi neri ruota, di solito una cosa abbastanza difficile da misurare, e ottenuto in precedenza (e provvisoriamente) solo in altre due fusioni.
Nel GW 190412, questa rotazione sembra essere abbastanza veloce, il che potrebbe essere un indizio su come sia nato un binario così irregolare. Ci sono diversi modelli astrofisici che tentano di spiegare la formazione di binari di buchi neri, ma la maggior parte di essi producono solo coppie più o meno uguali di massa.
Il più ovvio è un sistema stellare binario in cui ogni stella collassa in un buco nero. Tuttavia, si pensa che questi non possano produrre buchi neri binari con grandi discrepanze di massa, escludendo GW 190412.
È possibile che i buchi neri si siano formati separatamente, poi in qualche modo si siano uniti, catturandosi in orbita. Ma l’elevata rotazione del buco nero più grande suggerisce che potrebbe essersi fuso con altri buchi neri in precedenza, prima di generare il sistema GW 190412.
Forse i buchi neri originariamente appartenevano ad un sistema triplo o quadruplo in cui il buco nero più grande si è già fuso con gli altri. Se questo buchi neri avessero semplicemente fluttuato nello spazio normale, il calcio di rinculo della fusione avrebbe impedito al sistema di mantenere il suo equilibrio, ma c’è uno scenario in cui il sistema a tre o quattro buchi neri potrebbe funzionare: nel disco attorno a un buco nero supermassiccio attivo nel cuore di una galassia.
Lì, l’ambiente gravitazionale estremo potrebbe consentire ai buchi neri di massa stellare di attraversare diverse fusioni successive senza essere espulso dal rinculo.
È impossibile esserne certi in questa fase, ma con la collaborazione LIGO-Virgo che effettua rilevamenti ogni pochi giorni, potrebbe non essere necessario attendere troppo a lungo per le risposte.
È possibili leggere l’intero documento del team sul sito Web di LIGO.
