Onde gravitazionali svelano la più grande fusione di buchi neri

Nuove figure si affacciano nel ‘bestiario’ cosmico, il catalogo degli oggetti che popolano l’universo. E pensare che, a svelarci queste presenze che scatenano cataclismi cosmici, sono minuscole fluttuazioni dello spaziotempo, increspature della realtà che vibra e si deforma con un ordine di grandezza migliaia di volte più piccolo del nucleo di un atomo e che durano lo spazio di un battito di ciglia. Così è accaduto anche il 21 maggio 2019, quando gli interferometri americani (Ligo) e quello italiano (Virgo), situato in provincia di Pisa, hanno captato un’onda gravitazionale (GW190521). Era una collisione di due buchi neri che si sono fusi insieme. Da un cinguettio durato appena un decimo di secondo gli scienziati hanno decriptato la firma di qualcosa mai osservato prima. E che, inevitabilmente, porta con sé nuovi interrogativi.

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Buchi neri di confine
Iniziamo dalla taglia di questi due buchi neri. Il segnale analizzato dai team di Ligo e Virgo, in due studi pubblicati oggi su Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters, ha portato la firma di due oggetti rispettivamente di 66 e 85 masse solari, che si sono scontrati e fusi assieme in un buco nero più grande. È la coppia più ‘pesante’ mai osservata ad aver generato un’onda gravitazionale e, soprattutto, almeno uno dei due, quello più massiccio, è davvero oversize, tanto che non c’è una spiegazione univoca su come possa essersi formato. “Le osservazioni di Virgo e LIGO stanno facendo luce sull’Universo oscuro e stanno definendo un nuovo paesaggio cosmico e ancora una volta annunciamo una scoperta senza precedenti”, commenta Giovanni Losurdo, responsabile della collaborazione internazionale Virgo.
 

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Per il primo siamo ancora al limite. Semplificando: 65 masse solari sono il massimo che, secondo i modelli, può nascere da una stella molto massiccia che collassa su se stessa. Quelli più grandi devono essersi formati in un altro modo.
 

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E veniamo appunto all’altra metà del paio: 85 masse solari, una taglia che ricade in quello che viene definito “mass gap dell’instabilità di coppia”: “È un buco nero che ‘non doveva esistere’ – spiega Michela Mapelli, della Collaborazione Virgo, docente dell’Università degli Studi di Padova e ricercatrice della Sezione Infn di Padova – perché secondo la teoria il limite massimo per un buco nero generato da una stella è attorno alle 65 masse solari. Per stelle al di sopra di una certa massa, si genera all’interno un fenomeno detto di instabilità di coppia che può portare a due conclusioni. Stelle più piccole, in questo range, subiscono pulsazioni, perdono massa e riacquistano stabilità, per dare vita a un buco nero di circa 30 masse solari. Per stelle più massicce, fino a 250 masse solari, l’instabilità porta a un’esplosione che disintegra tutto, una ‘supernova di instabilità di coppia’. Senza lasciare un buco nero. Per questo non ci aspetteremmo di trovare buchi neri di questa massa, tra i 65 e 120 soli. Teoricamente, stelle con massa superiore a 250 soli potrebbero collassare direttamente in un buco nero, ma non ne conosciamo di così massicce”. Lì in mezzo c’è dunque un ‘deserto’ di buchi neri, caselle vuote che gli astrofisici cominciano a riempire.

Mai osservati prima
E questa sarebbe la prima volta che si riesce ad avere un segnale da un esemplare di questo tipo grazie alle onde gravitazionali. A rendere tutto più interessante c’è il fatto che, dopo essersi scontrati, al loro posto dovrebbe esserci ora un buco nero di massa intermedia: 142 masse solari, il primo mai trovato tra le 100 e le 1.000 masse solari. Così, dopo il recente annuncio della scoperta di qualcosa a metà tra una stella di neutroni e un buco nero, abbiamo riempito qualche altra lacuna, anelli mancanti nella catena degli oggetti cosmici.
 

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“Questo evento potrebbe persino spingerci a ripensare i modelli  che attualmente descrivono le fasi finali della vita di una stella massiccia. In entrambi i casi, GW190521 darà un contributo essenziale allo studio della formazione dei buchi neri” aggiunge Mapelli.
 

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Il buco nero risultante è più leggero della somma dei due originari. La massa mancante è stata trasformata in energia. L’equivalente di otto soli dematerializzati che, sotto forma di onde gravitazionali, ha fatto vibrare gli interferometri sulla Terra a miliardi di anni luce di distanza, avvenuto quando l’Universo aveva metà degli anni che ha oggi. Tra i record di questa osservazione c’è anche il fatto di essere il più lontano evento mai ‘ascoltato’ grazie alle onde gravitazionali. “Il segnale osservato è molto complesso – aggiunge Viviana Fafone, dell’Università e della Sezione Infn di Roma Tor Vergata e responsabile nazionale della Collaborazione Virgo – e, poiché il sistema rivelato è molto massiccio, è stato osservato solo per un breve periodo: circa 0,1 secondi. Tuttavia, il breve ‘cinguettio’ dell’onda, attentamente analizzato, ha rivelato una grande quantità di informazioni sulle diverse fasi di questa fusione”.

Buchi neri rotanti
Analizzando il segnale è emerso anche che uno dei due buchi neri iniziali ruotava velocemente. Non solo, questa rotazione ha causato anche la rotazione del piano dell’orbita. Un indizio sull’ambiente circostante. Molto instabile, forse affollato di altre stelle. Ed è proprio all’interno di ammassi popolati da moltissime stelle strette in poco spazio che si sono cercati, finora, i buchi neri di massa intermedia. Una delle teorie ipotizza infatti che possano originarsi da collisioni di stelle massicce: “Buchi neri in questo mass gap di instabilità si possono originare dalla fusione di buchi neri più piccoli, questo è il secondo che osserviamo dopo l’evento di onde gravitazionali del 29 luglio 2017. Oppure dalla collisione e coalescenza di due stelle massicce. Però sono questi formerebbero un buco nero singolo. In GW190521 faceva invece parte di una coppia. Ma se si trovasse in un ammasso stellare avrebbe più probabilità di trovare un compagno. Poi ci sono le teorie più esotiche, per le quali propendono cosmologi e relativisti, dei buchi neri primordiali che non si formano da stelle ma da collassi dovuti a instabilità gravitazionali della materia primordiale nelle fasi immediatamente seguite al Big Bang”.

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