Prima evidenza osservativa che collega i buchi neri all’energia oscura

 

 

Secondo due nuovi studi, la misteriosa energia che causa l’espansione dell’universo sarebbe anche responsabile della crescita della massa dei buchi neri.

 

Cercando tra i dati esistenti che coprono 9 miliardi di anni, un team di ricercatori guidato da scienziati dell’Università delle Hawaii a Mānoa ha scoperto la prima prova di “accoppiamento cosmologico”, un fenomeno recentemente previsto nella teoria della gravità di Einstein, possibile solo quando i buchi neri sono collocati all’interno di un universo in evoluzione.

Gli astrofisici Duncan Farrah e Kevin Croker hanno condotto questo ambizioso studio, combinando l’evoluzione delle galassie e la teoria della gravità con l’ osservazione e analisi di ricercatori di nove paesi, per fornire la prima visione di ciò che potrebbe esistere all’interno dei buchi neri reali.

“Quando LIGO ha sentito la prima coppia di buchi neri fondersi alla fine del 2015, tutto è cambiato”, ha detto Croker. “Il segnale era in ottimo accordo con le previsioni sulla carta, ma estendere quelle previsioni e abbinare quel modello di buchi neri al nostro universo in espansione  non era affatto semplice”.

Il team ha recentemente pubblicato due articoli, uno su The Astrophysical Journal e l’altro su The Astrophysical Journal Letters, che hanno studiato i buchi neri supermassicci nel cuore di galassie antiche e dormienti.

Il primo articolo ha scoperto che questi buchi neri guadagnano massa nel corso di miliardi di anni in un modo che non può essere facilmente spiegato dai processi standard di galassie e buchi neri, come fusioni o accrescimento di gas.

Il secondo articolo rileva che la crescita in massa di questi buchi neri corrisponde alle previsioni per i buchi neri che non solo si accoppiano cosmologicamente, ma racchiudono anche energia del vuoto,  che risulta dalla compressione della materia il più possibile senza violare le equazioni di Einstein, evitando così una singolarità.

L’energia del vuoto, o energia oscura, è una caratteristica che si attribuisce proprio allo spazio vuoto, come se avesse un’energia intrinseca in grado di opporsi alla gravità e invece che attrarre gli oggetti li respinge tra loro, come è stato osservato per le galassie più lontane, che si allontanano da noi a velocità crescente con la loro distanza.

È responsabile quindi dell’espansione dell’universo, fenomeno che è stato identificato 30 anni fa studiando proprio l’allontanamento di galassie: la massa totale dell’universo (galassie, stelle, gas, polvere e buchi neri) è insufficiente per mantenerlo unito e la forza derivante dalla repulsione del vuoto, o energia oscura, tenderà a farlo espandere sempre più.

Da cosa derivi ‘energia oscura, però, rimane un mistero.

Con le singolarità assenti, l’articolo mostra quindi che l’energia combinata del vuoto nei buchi neri prodotta nella morte delle prime stelle dell’universo concorda con la quantità misurata di energia oscura nel nostro universo.

“Stiamo davvero dicendo due cose contemporaneamente: che ci sono prove che le tipiche soluzioni di buchi neri non funzionano su una lunga, lunga scala temporale, e abbiamo la prima fonte astrofisica proposta per l’energia oscura”, ha detto Farrah, autore principale di entrambi gli articoli.

“Non stiamo aggiungendo nulla di nuovo all’universo come fonte di energia oscura: i buchi neri nella teoria della gravità di Einstein sono l’energia oscura”.

Queste nuove misurazioni, se supportate da ulteriori prove, ridefiniranno la nostra comprensione di cosa sia un buco nero.

Nel primo studio, il team ha determinato come utilizzare le misurazioni esistenti dei buchi neri per cercare l’accoppiamento cosmologico.

“Il mio interesse per questo progetto è nato da un interesse generale nel cercare di determinare prove osservative che supportino un modello per i buchi neri che funzioni indipendentemente da quanto tempo li si guardi”, ha detto Farrah.

“Questa è una cosa molto, molto difficile da fare in generale, perché i buchi neri sono incredibilmente piccoli, sono incredibilmente difficili da osservare direttamente, e sono molto, molto lontani”.

I buchi neri sono anche difficili da osservare su lunghe scale temporali. Le osservazioni possono essere fatte in pochi secondi, o decine di anni al massimo, non abbastanza tempo per rilevare come un buco nero potrebbe cambiare nel corso della vita dell’universo. Vedere come i buchi neri cambiano su una scala di miliardi di anni è un compito arduo.

“Dovresti identificare una popolazione di buchi neri e identificare la loro distribuzione di massa miliardi di anni fa. Quindi dovresti vedere la stessa popolazione, o una popolazione ancestralmente connessa, al giorno d’oggi ed essere di nuovo in grado di misurare la loro massa “, ha detto il co-autore Gregory Tarlé, fisico dell’Università del Michigan. “È una cosa davvero difficile da fare”.

Poiché le galassie possono avere una durata di vita di miliardi di anni, e la maggior parte delle galassie contiene un buco nero supermassiccio, il team si è reso conto che le galassie detenevano la chiave, ma scegliere i giusti tipi di galassie era essenziale.

“C’erano molti comportamenti diversi per i buchi neri nelle galassie misurati in letteratura, e non c’era davvero alcun consenso”, ha detto la coautrice dello studio Sara Petty, esperta di galassie presso la NorthWest Research Associates.

“Abbiamo deciso che concentrandoci solo sui buchi neri nelle galassie ellittiche, avremmo potuto aiutare a risolvere questa cosa”.

Le galassie ellittiche sono enormi e si sono formate presto. Sono fossili di assemblaggio di galassie. Gli astronomi ritengono che siano il risultato finale di collisioni di galassie, di dimensioni enormi con oltre trilioni di vecchie stelle.

Osservando solo galassie ellittiche senza attività recente, il team sostiene che qualsiasi cambiamento nelle masse dei buchi neri delle galassie non può essere causato da altri processi noti. Utilizzando queste popolazioni, il team ha poi esaminato come la massa dei loro buchi neri centrali è cambiata negli ultimi 9 miliardi di anni.

Se la crescita di massa dei buchi neri avvenisse solo attraverso l’accrescimento o la fusione, allora le masse di questi buchi neri non dovrebbero cambiare molto. Tuttavia, se i buchi neri guadagnano massa accoppiandosi con l’universo in espansione, allora queste galassie ellittiche in evoluzione passiva potrebbero rivelare questo fenomeno.

I ricercatori hanno scoperto che più indietro nel tempo guardavano, più piccoli erano i buchi neri in massa, rispetto alle loro masse oggi. Questi cambiamenti sono stati grandi: i buchi neri erano da 7 a 20 volte più grandi oggi di quanto non fossero 9 miliardi di anni fa, abbastanza grandi che i ricercatori sospettavano che l’accoppiamento cosmologico potesse essere il colpevole.

Nel secondo studio, il team ha studiato se la crescita dei buchi neri misurata nel primo studio potesse essere spiegata dal solo accoppiamento cosmologico.

“Si può pensare a un buco nero accoppiato come un elastico, allungato insieme all’universo mentre si espande”, ha detto Croker. “Man mano che si allunga, la sua energia aumenta. E = mc²  dice che la massa e l’energia sono proporzionali, quindi anche la massa del buco nero aumenta”.

Quanto aumenta la massa dipende dalla forza di accoppiamento, una variabile che i ricercatori chiamano k.

“Più rigido è l’elastico, più difficile è allungare, quindi maggiore è l’energia quando viene allungato. In poche parole, questo è k“, ha detto Croker.

Poiché la crescita di massa dei buchi neri dall’accoppiamento cosmologico dipende dalle dimensioni dell’universo, e l’universo era più piccolo in passato, i buchi neri nel primo studio devono essere meno massicci della quantità corretta affinché la spiegazione dell’accoppiamento cosmologico funzioni.

Il team ha esaminato cinque diverse popolazioni di buchi neri in tre diverse collezioni di galassie ellittiche, prese da quando l’universo era circa la metà e un terzo delle sue dimensioni attuali. In ogni confronto, hanno misurato che k era quasi 3.

Nel 2019, questo valore è stato previsto per i buchi neri che contengono energia del vuoto, invece di una singolarità, da Croker, allora studente laureato, e Joel Weiner, professore di matematica UH Mānoa.

La conclusione è profonda: Croker e Weiner avevano già dimostrato che se k è 3, allora tutti i buchi neri nell’universo contribuiscono collettivamente a una densità di energia oscura quasi costante, proprio come suggeriscono le misurazioni dell’energia oscura.

I buchi neri provengono da grandi stelle morte, quindi si può stimare quanti buchi neri ci sono e quanto crescono come risultato dell’accoppiamento cosmologico. Il team ha utilizzato le misurazioni più recenti del tasso di formazione stellare  fornite dal telescopio spaziale James Webb e ha scoperto che i numeri si allineano.

Secondo i ricercatori, i loro studi forniscono un quadro per fisici teorici e astronomi per l’attuale generazione di esperimenti di energia oscura come il Dark Energy Spectroscopic Instrument e il Dark Energy Survey.

“Se confermato, questo sarebbe un risultato notevole, che indica la strada verso la prossima generazione di soluzioni per i buchi neri”, ha detto Farrah.

Croker ha aggiunto: “Questa misurazione, che spiega perché l’universo sta accelerando la sua espansione, dà un bellissimo sguardo alla vera forza di gravità di Einstein. Un coro di piccole voci sparse in tutto l’universo può lavorare insieme per guidare l’intero cosmo. Quanto è bello?”

 

Immagine: UH Mānoa