Un’impressione dell’artista di due buchi neri in collisione.Credit: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Gli astronomi hanno rilevato la più potente, più lontana e più sconcertante collisione di buchi neri utilizzando le onde gravitazionali. Dei due colossi che si sono fusi quando l’Universo aveva la metà della sua età attuale, almeno uno – che pesa 85 volte più del Sole – ha una massa che si pensava fosse troppo grande per essere coinvolto in un tale evento. E la fusione ha prodotto un buco nero di quasi 150 masse solari, i ricercatori hanno stimato, mettendolo in una gamma in cui nessun buco nero era mai stato visto prima in modo definitivo.
“Tutto su questa scoperta è sbalorditivo”, dice Simon Portegies Zwart, un astrofisico computazionale all’Università di Leiden nei Paesi Bassi. In particolare, dice, conferma l’esistenza di buchi neri di ‘massa intermedia’: oggetti molto più massicci di una tipica stella, ma non così grandi come i buchi neri supermassicci che abitano i centri delle galassie.
Ilya Mandel, un astrofisico teorico della Monash University di Melbourne, Australia, chiama la scoperta “meravigliosamente inaspettata”.
L’evento, descritto in due articoli pubblicati il 2 settembre1,2, è stato rilevato il 21 maggio 2019, dai rivelatori gemelli del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti e dal più piccolo osservatorio Virgo vicino a Pisa, in Italia. È stato chiamato GW190521 dopo la sua data di rilevamento.
Masse proibite
Dal 2015, LIGO e Virgo hanno fornito nuove informazioni sul cosmo rilevando le onde gravitazionali. Queste increspature nel tessuto dello spazio-tempo possono rivelare eventi come le fusioni di buchi neri che normalmente non sarebbero visibili con i normali telescopi.
Dalle proprietà delle onde gravitazionali, come il modo in cui cambiano di tonalità, gli astrofisici possono stimare le dimensioni e altre caratteristiche degli oggetti che le hanno prodotte mentre erano in spirale l’una nell’altra. Questo ha rivoluzionato lo studio dei buchi neri, fornendo prove dirette di decine di questi oggetti, che vanno in massa da poche a circa 50 volte la massa del Sole.
Queste masse sono coerenti con i buchi neri che si sono formati in modo “convenzionale” – quando una stella molto grande finisce il carburante da bruciare e collassa sotto il suo stesso peso. Ma la teoria convenzionale dice che il collasso stellare non dovrebbe produrre buchi neri tra circa 65 e 120 masse solari. Questo perché verso la fine della loro vita, le stelle in una certa gamma di dimensioni diventano così calde nei loro centri che iniziano a convertire i fotoni in coppie di particelle e antiparticelle – un fenomeno chiamato instabilità di coppia. Questo innesca la fusione esplosiva dei nuclei di ossigeno, che fa a pezzi la stella, disintegrandola completamente.
Nella loro ultima scoperta, i rivelatori LIGO e Virgo hanno percepito solo le ultime quattro increspature prodotte dai buchi neri in spirale, con una frequenza che è passata da 30 a 80 Hertz in un decimo di secondo. Mentre i buchi neri relativamente più piccoli continuano a “cinguettare” fino a frequenze più alte, quelli molto grandi si fondono prima, ed entrano a malapena nell’estremità inferiore della gamma di frequenze a cui i rivelatori sono sensibili.
In questo caso, i due oggetti sono stati stimati a circa 85 e 66 masse solari. “Questo è abbastanza chiaro nell’intervallo in cui ci si aspetterebbe che il divario di massa dell’instabilità di coppia sia”, dice l’astrofisico di LIGO Christopher Berry della Northwestern University di Evanston, Illinois.
Selma de Mink, un astrofisico della Harvard University di Cambridge, Massachusetts, mette il cut-off per l’instabilità di coppia ancora più basso, forse a 45 masse solari, che spingerebbe il più leggero dei due oggetti saldamente nella zona proibita, anche. “Per me, entrambi i buchi neri sono scomodamente massicci”, dice.
Buchi neri non convenzionali
Per spiegare le loro osservazioni, i ricercatori di LIGO hanno considerato una serie di possibilità, tra cui che i buchi neri sono stati in giro dall’inizio dei tempi. Per decenni, i ricercatori hanno ipotizzato che tali buchi neri “primordiali” potrebbero essersi formati spontaneamente in una vasta gamma di dimensioni poco dopo il Big Bang.
Lo scenario principale che il team ha contemplato è che i buchi neri sono diventati così grandi perché erano essi stessi il risultato di precedenti fusioni di buchi neri. I buchi neri risultanti dal collasso stellare dovrebbero brulicare all’interno di densi ammassi stellari, e in linea di principio potrebbero subire ripetute fusioni. Ma anche questo scenario è problematico perché, dopo una prima fusione, il buco nero risultante dovrebbe tipicamente ricevere un calcio dalle onde gravitazionali ed espellersi dall’ammasso. Solo in rari casi il buco nero rimarrebbe in una zona dove potrebbe subire un’altra fusione.
Fusioni successive sarebbero più probabili se i buchi neri abitassero l’affollata regione centrale della loro galassia, dice de Mink, dove la gravità è abbastanza forte da impedire agli oggetti che si ritirano di sparare fuori.
Non si sa in quale galassia sia avvenuta la fusione. Ma più o meno nella stessa regione del cielo, un team di ricercatori ha individuato un quasar – un centro galattico estremamente luminoso alimentato da un buco nero supermassiccio – che ha subito un brillamento circa un mese dopo GW1905213. Il flare potrebbe essere stato un’onda d’urto nel gas caldo del quasar prodotta dal buco nero che si ritira, anche se molti astronomi sono cauti nell’accettare che i due fenomeni siano collegati.
Questa è la seconda volta quest’anno che la collaborazione LIGO-Virgo si è addentrata in una gamma di massa “proibita”: a giugno, hanno descritto una fusione che ha coinvolto un oggetto di circa 2,6 masse solari – tipicamente considerato troppo leggero per essere un buco nero ma troppo massiccio per essere una stella di neutroni4.