Il segnale GW190412

Una fusione asimmetrica di due buchi neri può avere una storia di origine stravagante, secondo un nuovo studio condotto dai ricercatori del MIT e di altri istituti.

La fusione è stata rilevata per la prima volta il 12 aprile 2019 come un’onda gravitazionale che è arrivata ai rilevatori sia di LIGO (l’Osservatorio Laser Interferometrico di Onde Gravitazionali), sia della sua controparte italiana, Virgo. Gli scienziati hanno etichettato il segnale come GW190412 e hanno determinato che proveniva da uno scontro tra due buchi neri come Davide contro Golia, l’uno tre volte più massiccio dell’altro. Il segnale ha segnato il primo rilevamento di una fusione tra due buchi neri di dimensioni molto diverse.

Ora il nuovo studio, pubblicato oggi sulla rivista Physical Review Letters, mostra che questa fusione asimmetrica può avere avuto origine attraverso un processo molto diverso rispetto a come si pensa che si formino la maggior parte delle fusioni.

È probabile che il più massiccio dei due buchi neri sia di per sé il prodotto di una precedente fusione tra due buchi neri genitori. Il Golia che è uscito da quella prima collisione potrebbe essere rimbalzato intorno a un “ammasso nucleare” denso prima di fondersi con il secondo e più piccolo buco nero – un evento rauco che ha inviato onde gravitazionali che si sono increspate nello spazio.

GW190412 può quindi essere una fusione di seconda generazione, o una fusione “gerarchica“, che si distingue dalle altre fusioni di prima generazione che LIGO e Virgo hanno finora rilevato.

Questo evento è una stranezza che l’universo ci ha lanciato contro – era qualcosa che non ci aspettavamo“, dice il coautore degli studi Salvatore Vitale, assistente professore di fisica al MIT e membro della LIGO. “Ma nell’universo non succede niente per una sola volta. Una cosa del genere, anche se rara, la vedremo di nuovo e potremo dire di più sull’universo“.

I coautori di Vitale sono Davide Gerosa dell’Università di Birmingham ed Emanuele Berti della Johns Hopkins University.

Una lotta per spiegare

Ci sono due modi principali con cui si ritiene che si formino le fusioni dei buchi neri. Il primo è noto come “common envelope process” in cui due stelle vicine, dopo miliardi di anni, esplodono per formare due buchi neri vicini che alla fine condividono un involucro comune, o disco di gas. Dopo qualche altro miliardo di anni, i buchi neri entrano in spirale e si fondono.

Si può pensare a questo come a una coppia che sta insieme per tutta la vita“, dice Vitale. “Si sospetta che questo processo avvenga nelle galassie come la nostra“.

L’altro percorso comune attraverso il quale si formano le fusioni dei buchi neri è quello delle “dynamical interactions“. Immaginate, al posto di un ambiente monogamo, un delirio galattico, dove migliaia di buchi neri sono stipati in una piccola e densa regione dell’universo. Quando due buchi neri cominciano ad associarsi, un terzo può distruggere la coppia in un’interazione dinamica che può ripetersi molte volte, prima che una coppia di buchi neri finalmente si unisca.

In entrambi i processi i buchi neri che si fondono dovrebbero avere all’incirca la stessa massa, a differenza del rapporto di massa asimmetrico di GW190412. Dovrebbero anche essere relativamente privi di spin, mentre il GW190412 ha uno spin sorprendentemente alto.

La questione è che in entrambi questi scenari, che tradizionalmente si pensa siano i vivai ideali per i sistemi binari dei buchi neri nell’universo, risulta difficile spiegare il rapporto di massa e lo spin di questo evento“, dice Vitale.

Simulazione STAR TRAK

Nel loro nuovo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato due modelli per dimostrare che è molto improbabile che il GW190412 provenga da uno dei due modi esaminati sopra. Per prima cosa hanno elaborato un modello dell’evoluzione di una tipica galassia utilizzando STAR TRACK, una simulazione che traccia le galassie per miliardi di anni, partendo dalla fusione dei gas e procedendo fino al modo in cui le stelle prendono forma ed esplodono, per poi collassare in buchi neri che alla fine si fondono. Il secondo modello simula incontri casuali e dinamici in ammassi globulari con concentrazioni dense di stelle intorno alla maggior parte delle galassie.

Il team ha eseguito entrambe le simulazioni più volte, mettendo a punto i parametri e studiando le proprietà delle fusioni dei buchi neri che sono emerse. Per quelle fusioni che si sono formate attraverso un common envelope process, una fusione come la GW190412 è stata molto rara e si è verificata solo dopo pochi milioni di eventi. Le interazioni dinamiche erano leggermente più propense a produrre un evento di questo tipo, dopo poche migliaia di fusioni.

Tuttavia, GW190412 è stato rilevato da LIGO e Virgo dopo solo 50 altri rilevamenti, suggerendo che probabilmente è sorto attraverso qualche altro processo. “Non importa cosa facciamo, non possiamo facilmente produrre questo evento in questi canali di formazione più comuni“, dice Vitale.

Il processo di fusione gerarchica potrebbe spiegare meglio la massa asimmetrica del GW190412 e il suo alto spin. Se un buco nero fosse il prodotto di un precedente accoppiamento di due buchi neri genitore di massa simile, sarebbe esso stesso più massiccio di uno dei due genitori e in seguito oscurerebbe significativamente il suo partner di prima generazione, creando un elevato rapporto di massa nella fusione finale.

Un processo gerarchico potrebbe anche generare una fusione ad alta rotazione: I buchi neri genitore, nella loro caotica fusione, farebbero ruotare il buco nero risultante, che poi porterebbe questa rotazione nella sua collisione finale. “Fate i conti e si scopre che il buco nero rimasto avrebbe uno spin molto vicino allo spin totale di questa fusione“, spiega Vitale.

Nessuna via di fuga

Se il GW190412 si è effettivamente formato attraverso la fusione gerarchica, Vitale dice che l’evento potrebbe anche far luce sull’ambiente in cui si è formato. Il team ha scoperto che se il più grande dei due buchi neri si è formato a causa di una collisione precedente, quella collisione probabilmente ha generato un’enorme quantità di energia che non solo ha fatto uscire un nuovo buco nero, ma l’ha anche spinto ad una certa distanza.

Se fosse stato calciato troppo forte, avrebbe semplicemente lasciato l’ammasso e sarebbe andato nel mezzo interstellare e non sarebbe stato in grado di fondersi di nuovo“, dice Vitale.

Se l’oggetto fosse in grado di fondersi di nuovo (in questo caso, per produrre GW190412), significherebbe che il calcio che ha ricevuto non è stato sufficiente per sfuggire all’ammasso stellare in cui si è formato. Se il GW190412 è effettivamente un prodotto della fusione gerarchica, il team ha calcolato che si sarebbe verificato in un ambiente con una velocità di fuga superiore a 150 chilometri al secondo. Per la prospettiva, la velocità di fuga della maggior parte degli ammassi globulari è di circa 50 chilometri al secondo.

Ciò significa che in qualunque ambiente GW190412 sia nato ha avuto un’immensa attrazione gravitazionale e il team ritiene che un tale ambiente avrebbe potuto essere o il disco di gas intorno ad un buco nero supermassiccio, o un “ammasso nucleare” – una regione dell’universo incredibilmente densa, piena di decine di milioni di stelle.

Questa fusione deve provenire da un luogo insolito“, dice Vitale. “Mentre LIGO e Virgo continuano a fare nuove scoperte, possiamo usare queste scoperte per imparare nuove cose sull’universo“.

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