Spiegazione: due buchi neri si sono fusi miliardi di anni fa, ma ora gli scienziati lasciano perplessi

LIGO e Virgo rilevano i segnali delle onde gravitazionali rilasciate nella fusione. Uno dei due buchi neri genitori aveva una massa intermedia insolita, che sfida la conoscenza scientifica tradizionale. Cosa si intende generalmente e cosa spiega questa dimensione insolita?

Concept artistico che illustra uno schema gerarchico per la fusione dei buchi neri. (Credito: LIGO/Caltech/MIT/R Hurt [IPAC])

Miliardi di anni fa, una collisione tra due buchi neri ha inviato onde gravitazionali che si sono propagate nell'universo. Nel 2019, i segnali di queste onde sono stati rilevato all'osservatorio delle onde gravitazionali LIGO (Stati Uniti) e il rivelatore Virgo (Italia).

Ciò che ha entusiasmato gli scienziati, tuttavia, è la massa di uno dei buchi neri genitori, che sfida le conoscenze tradizionali su come si formano i buchi neri.

La scoperta e l'analisi sono descritte in due articoli di ricerca. Uno in Lettere di revisione fisica , dettaglia la scoperta e propone le possibili modalità con cui l'insolita fusione potrebbe aver avuto luogo. L'altro giornale, in Le lettere del diario di astrofisica , discute le proprietà fisiche del segnale.

Cosa è stato rilevato esattamente?

Era un segnale di un'onda gravitazionale, un campo di scoperte relativamente nuovo. Le onde gravitazionali sono increspature invisibili che si formano quando una stella esplode in una supernova; quando due grandi stelle orbitano l'una intorno all'altra; e quando due buchi neri si fondono. Viaggiando alla velocità della luce, le onde gravitazionali schiacciano e allungano qualsiasi cosa sul loro cammino.

Le onde gravitazionali sono state proposte da Albert Einstein nella sua Teoria della Relatività Generale oltre un secolo fa. È stato solo nel 2015, tuttavia, che la prima onda gravitazionale è stata effettivamente rilevata da LIGO. Da allora, ci sono state una serie di rilevazioni successive di onde gravitazionali.

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Il segnale rilevato a LIGO e Virgo, come descritto dalla collaborazione LIGO, assomigliava a circa quattro brevi oscillazioni ed è durato meno di un decimo di secondo.

Da dove proviene?

Un'analisi successiva ha suggerito che GW190521 è stato molto probabilmente generato dalla fusione di due buchi neri. Il segnale probabilmente rappresentava l'istante in cui i due si sono fusi. È stato calcolato che provenisse da una distanza di circa 17 miliardi di anni luce e da un'epoca in cui l'universo aveva circa la metà della sua età.

Ma questi risultati hanno portato a ulteriori domande. Uno dei due buchi neri che si fondono rientra in un intervallo di massa intermedio, un disadattamento che non può essere spiegato dalla conoscenza tradizionale di come si formano i buchi neri.

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Perché è insolito?

Tutti i buchi neri finora osservati appartengono a una delle due categorie. Una categoria va da poche masse solari (una massa solare è la massa del nostro Sole) e decine di masse solari. Si pensa che si formino quando muoiono stelle massicce.

L'altra categoria è quella dei buchi neri supermassicci. Questi vanno da centinaia di migliaia a miliardi di volte quelli del nostro sole.

Secondo la conoscenza tradizionale, le stelle che potrebbero dare vita a buchi neri tra 65 e 120 masse solari non lo fanno: le stelle in questa gamma si esplodono quando muoiono, senza collassare in un buco nero.

Ma nella fusione che ha portato al segnale GW190521, il buco nero più grande era di 85 masse solari, ben all'interno di questo intervallo inaspettato, noto come gap di massa di instabilità di coppia. È il primo buco nero di massa intermedia mai osservato. (In effetti, anche il buco nero più piccolo è al limite, a 66 masse solari.)

I due si sono fusi per creare un nuovo buco nero di circa 142 masse solari. L'energia equivalente a otto masse solari è stata rilasciata sotto forma di onde gravitazionali, portando all'onda più forte mai rilevata dagli scienziati finora.

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Come si è formato il buco nero di massa insolita?

I ricercatori suggeriscono che il buco nero di massa solare 85 non era il prodotto di una stella in collasso, ma era esso stesso il risultato di una precedente fusione. Formato da una collisione tra due buchi neri, è probabile che il nuovo buco nero si sia poi fuso con il buco nero di 66 massa solare, portando a onde gravitazionali e al segnale ricevuto da LIGO e Virgo.

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