Il mistero della fusione dei buchi neri

Le onde gravitazionali emesse dallo scontro di buchi neri aprono dibattiti sulle loro origini: erano nati da stelle già orbitanti in coppia o si sono incontrati per caso passando uno accanto all’altro e poi si sono attratti e fusi insieme?

 

 

Studiare le onde gravitazionali è difficile, anche perché queste increspature nel tessuto rigido dello spazio-tempo, quando arrivano agli strumenti, durano solo per un secondo o meno.

Capire ciò che le ha create è come usare stralci di parole per ricostruire una conversazione al lato opposto di una stanza stanza.

Un esempio di questa complessità è GW190521. Questo evento ha sconcertato ed eccitato gli astrofisici sin dalla sua scoperta. I numeri esatti variano, ma GW190521 sembra essere stata la collisione di un buco nero di 90 masse solari con uno di 65.

Questi enormi oggetti si trovano al limite teorico di quanto possa essere grande un buco nero creato da stelle: gli astri che esplodono non dovrebbero creare buchi neri di circa 50-120 soli.

E questo è già qualcosa che ha creato rompicapi agli scienziati.

Per determinare le masse e altre caratteristiche degli oggetti coinvolti in un dato evento di onde gravitazionali, i ricercatori si affidano a una vasta libreria di opzioni.

Inseriscono i dati in modelli computazionali che confrontano le osservazioni con milioni di forme d’onda – cioè, forme di oscillazione delle onde, ognuna delle quali descrive un tipo specifico di fusione – e vedono quali forme d’ondasaltano fuori come la migliore corrispondenza.

Le ipotesi possono cambiare il risultato e modelli diversi possono dare risultati diversi.

Con solo circa 0,1 secondi di dati, i ricercatori hanno quindi un’ampia scelta di soluzioni da adattare al segnale di GW190521. La collaborazione LVK ha deciso di descrivere GW190521 come la fusione di una coppia di grandi buchi neri che orbitano l’uno attorno all’altro.

Altri hanno considerato orbite molto allungate e collisioni frontali, o hanno proposto che le stime della massa siano sbagliate. Sono anche andati oltre, ipotizzando se i buchi neri siano i nuclei di stelle esplose o oggetti di seconda generazione costruiti da precedenti fusioni.

Il mese scorso, Rossella Gamba (Friedrich Schiller University Jena, Germania) e gli altri membri della collaborazione Virgo sono entrati nel dibatito con un articolo su Nature Astronomy.

Invece di supporre che i buchi neri fossero nati in coppia, hanno guardato cosa sarebbe successo se i buchi neri fossero venuti in contatto mentre passavano l’uno accanto all’altro. Un paio di passaggi ravvicinati e una collisione finale sono sufficienti per adattarsi ai dati, secondo il team.

Gli autori hanno abbinato i loro calcoli con un’analisi statistica, stimando quanto sia probabile la loro soluzione di cattura rispetto all’alternativa che GW190521 provenga da due buchi neri a spirale e che si fondono l’uno con l’altro su orbite quasi circolari.

Secondo loro, fusioni quasi circolari come quella nell’analisi LVK dovrebbero essere 4.300 volte più comuni delle catture.

Ma in realtà non sappiamo ancora quanto siano probabili diversi scenari. E le vere probabilità contano, spiega l’astrofisico di LIGO Zoheyr Doctor (Northwestern), che non è stato coinvolto nello studio attuale.

“Se vedo qualcosa con la coda dell’occhio che assomiglia molto alla tigre e meno a un pallone da basket, probabilmente deduco che quello che ho visto era un pallone da basket, perché sono molto più diffusi delle tigri”, spiega.

“Lo stesso potrebbe essere vero qui: i dati possono sembrare più simili a un incontro, ma ciò potrebbe essere controbilanciato se incontri come questo sono rari rispetto ad altre spiegazioni”.

Probabilmente non sapremo mai l’esatta natura di GW190521. Ma un giorno potremmo rilevare abbastanza segnali simili per essere in grado di dire quanto siano probabili le cose che sembrano tali, e da lì stimare quanto sia probabile che GW190521 provenga da una categoria di eventi piuttosto che da un’altra. Mentre le collaborazioni si intensificano per iniziare la prossima corsa osservativa intorno a marzo 2023, possiamo aspettarci la cosa preferita di ogni scienziato: più dati.

 

Immagine: N. Fischer / H. Pfeiffer / A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics) / Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration.