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6 minuti di letturaGW190521: buchi neri inspiegabili misurati da LIGO e Virgo

I buchi neri sono oggetti cosmici molto affascinanti, stuzzicano la fantasia di tutti. Da quando possiamo osservare e misurare le onde gravitazionali (cioè dal 2015) riusciamo a vedere come due buchi neri danzano l’uno attorno all’altro fino a fondersi in un unico buco nero più grosso. Questa danza, come previsto dalla teoria della relatività, sconquassa lo spaziotempo e crea un’enorme quantità di energia che si propaga sotto forma di pertubazioni che fanno oscillare tutto lo spaziotempo intorno.

Dopo un lungo viaggio di miliardi di anni alla velocità della luce, queste pertubazioni arrivano fino a noi sulla Terra, smuovendo impercettibilmente, su una scala minore delle dimensioni di un protone, i grossi tubi lunghi qualche km degli interferometri LIGO (negli USA), Virgo (in Italia) e, in futuro, KAGRA (in Giappone).

Quelle perturbazioni sono le onde gravitazionali.

Il segnale di onde gravitazionali misurato da LIGO e Virgo il 21 maggio 2019 (per questo chiamato con la sigla GW190521) è di quelli estremamente interessanti. Vediamo perché.

Che cosa è stato misurato

GW190521 è un evento di onde gravitazionali associato alla fusione di due buchi neri di massa 66 masse solari e 85 masse solari (con tutti gli errori di misura del caso, ovviamente, non si tratta di numeri arbitrariamente precisi). Questi due buchi neri, fondendosi, hanno generato le onde gravitazionali che si sono propagate fino a noi e un buco nero di 142 masse solari.

Il segnale GW190521 misurato dai due interferometri di LIGO (Hanford e Livingston) e dall’interferometro di Virgo. Lo zig-zag più pronunciato è il momento in cui è avvenuta la fusione tra i due buchi neri, kaboom.

Sì, avete fatto bene i conti: 66 più 85 fa 151. Le 9 masse solari mancanti sono quelle trasformate in energia e trasportate come onde gravitazionali nell’universo. Tutto secondo la celebre equazione di Einstein “E uguale a m per c quadro” che ci dice che la massa si trasforma in energia e viceversa.

Tutto questo, secondo i dati, è avvenuto 7,1 miliardi di anni fa. Il Sole neanche esisteva all’epoca, pensate un po’. La danza dei due buchi neri è duranta a lungo, ma il momento culminante finale, quello che ha portato alla formazione di un unico buco nero più grosso, è durato circa 100 millisecondi.

Qual è la novità

Il buco nero di 142 masse solari formatosi dopo GW190521 ha una massa insolita. Non che sia troppo grossa come massa: pensate, il buco nero al centro della Via Lattea ha una massa di 4 milioni di masse solari. Il fatto è che abbiamo delle idee su come si possano formare i buchi neri. Per esempio, i buchi neri si possono formare a seguito dell’esplosione di stelle molto massicce; buchi neri di questo tipo però hanno masse tra le 5 e le 60 volte la massa del Sole. Il motivo è le stelle possono essere massicce fino a un certo punto: se sono troppo grosse, non solo esplodono brutalmente senza lasciare niente dietro – neanche un buco nero; ma proprio non si reggono in piedi, cioè sono davvero molto ma molto rare.

Potrebbero esistere stelle che si sono formate nelle primissime fasi di storia dell’universo, le incredibili stelle di popolazione III, che potrebbero essere state molto grosse e comuni. Quindi magari da queste stelle di popolazione III potrebbero essersi formati buchi neri con massa maggiore di 60 masse solari. Ma finora, di queste stelle di popolazione III non abbiamo visto neanche l’ombra.

Quando dunque troviamo un buco nero che supera le 60 masse solari allora non stiamo più guardando un buco nero di origine stellare ma stiamo studiando un buco nero di massa intermedia, si chiama così, l’acronimo è IMBH, intermediate-mass black hole. Si tratta dei buchi neri troppo grandi per essere di origine stellare ma anche troppo piccoli per essere quei mostri che si trovano al centro delle galassie. Intermedi, appunto.

Il buco nero di 142 masse solari è l’evidenza lampante non solo che questi buchi neri esistono ma anche che si possono formare tramite fusione di buchi neri più piccoli.

Qual è la cosa inspiegabile e anomala

Se andiamo a vedere i dati di GW190521 però ci rendiamo conto che non solo il risultato finale è un buco nero di massa intermedia, ma anche sicuramente uno dei due buchi neri danzatori (se non entrambi). Il buco nero genitore da 85 masse solari da dove è saltato fuori? Abbiamo appena detto due cose: che i buchi neri di origine stellare non vanno oltre la sessantina di masse solari e che inoltre ci aspettiamo che i buchi neri di massa intermedia si formino a causa della fusione di buchi neri di massa stellare. Ecco, questo bel quadretto teorico portato avanti in parte grazie a GW190521 è automaticamente smontato proprio da GW190521.

Come detto, probabilmente l’unica possibilità è che il buco nero genitore da 85 masse solari si sia formato a sua volta da una fusione di buchi neri più piccoli. Ma anche qui, i due buchi neri (a questo punto) nonni dovrebbero aver avuto una massa di 50 masse solari a testa circa, per includere sia gli errori sperimentali di stima sia il fatto che parte della massa poi deve essersi trasformata in onde gravitazionali. Insomma, è molto complicata la faccenda qui.

Inoltre, dato da non trascurare, se i buchi neri stellari arrivano al massimo a 60 masse solari e a noi servono proprio buchi neri intorno a questi valori di massa, dovremmo ipotizzare un’abbondanza enorme di stelle molto massicce e grosse per poter spiegare la frequenza con cui osserviamo buchi neri grossi. Anche questo, molto difficile da comprendere allo stato attuale.

Spiegazioni alternative ne abbiamo?

Le astrofisiche e gli astrofisici di LIGO e Virgo hanno pensato a possibili spiegazioni. Alcune sono esotiche (stringhe cosmiche e robe strane speculative) e per oggi le lasciamo perdere; però vediamone due plausibili anche se, come vi dirò, sono state escluse perché non favoriti dai dati. Quando dico “favoriti” intendo che si mettono a confronto diversi modelli teorici e si vede quale si incastra meglio con i dati.

La prima riguarda l’orbita dei due buchi neri. Tecnicamente le orbite di due buchi neri che stanno per fondere sono praticamente circolari. Questo perché mentre danzano gravitazionalmente perdono energia sotto forma di onde gravitazionali e le loro orbite diventano via via meno eccentriche. Se però le orbite dei buchi neri di GW190521 fossero state più eccentriche allora la stima delle loro masse sarebbe al ribasso. Tuttavia, per rendere eccentriche le orbite di due buchi neri che si stanno scontrando ci vorrebbe un intervento di qualcosa da fuori, il che è altamente improbabile visti i dati.

La seconda riguarda il fenomeno del lensing gravitazionale. È possibile che il segnale delle onde gravitazionali possa venire amplificato dalla presenza di altra massa tra noi e l’origine del segnale, esatto, proprio come farebbe una lente. Questo fenomeno è previsto dalla relatività e si misura bene con le onde elettromagnetiche (cioè la luce). Potrebbe teoricamente accadere anche con le onde gravitazionali. Se partissimo da masse più piccole di buchi neri genitori per GW190521, dovremmo avere un fattore di amplificazione abbastanza alto che tuttavia i dati non sembrano favorire.

Una luce dal buco nero di 142 masse solari?

C’è un’altra notizia su GW190521, probabilmente ancora più intringante di tutto ciò detto finora. È stato osservato un segnale di onde elettromagnetiche forse associato a GW190521 e misurato dallo Zwicky Transient Facility (ZTF). Beh, sarebbe strano perché due buchi neri che collidono non dovrebbero emettere alcun segnale di onde luminose.

L’idea infatti è un’altra. Il segnale elettromagnetico misurato da ZTF proviene dalle regioni centrali della galassia in cui è avvenuto GW190521, regioni dove c’è un buco nero supermassivo che ha il suo bel disco di accrescimento pieno zeppo di gas caldo. È possibile che la collisione tra i buchi neri genitori di GW190521 con il suo sconquasso abbia portato il buco nero finale e il materiale che lo circondava ad avvicinarsi alle regioni centrali della galassia, come una specie di rinculo.

Qui, il gas del disco di accrescimento avrebbe iniziato a cadere sul buco nero finale generato da GW190521 e non solo l’avrebbe fatto aumentare di massa ma ci sarebbe stata anche emissione di onde elettromagnetiche, quelle misurate da ZTF, appunto. È una bella idea questa, anche in prospettiva generale per spiegare la massa enorme del buco nero finale, ma deve essere verificata per bene.

Ora aspettiamo il prossimo bestione

LIGO e Virgo ora sono fermi per un aggiornamento e si analizzano i dati, proprio come fatto per GW190521. La fase di osservazione detta O3 è terminata (anche in leggero anticipo causa Covid-19) e ora si pensa alla fase di osservazione O4, dove anche l’apporto dell’interferometro giapponese KAGRA inizierà a essere determinante.

La ricerca e lo studio dei buchi neri attraverso le onde gravitazionali è ancora qualcosa di molto nuovo, sebbene ormai sono 5 anni che va avanti. Come tutte le cose nuove, statene certi, il bello deve ancora venire.

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Cosa leggere per approfondire

Articolo della scopertaGW190521: A binary black hole merger with a total mass of 150 solar masses

Articolo con le implicazioni della scopertaProperties and astrophysical implications of the 150 solar mass binary black hole merger GW190521

Sito ufficiale della collaborazione LIGO

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