Scritto: Mercoledì, 02 Settembre 2020 15:00 Ultima modifica: Mercoledì, 02 Settembre 2020 22:18

Scontro fra titani


 A maggio dello scorso anno, Ligo e Virgo hanno osservato la fusione tra due buchi neri di grande massa, che ha generato un mostro di oltre 140 masse solari!

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Rappresentazione artistica della coppia di buchi neri in procinto di fondersi, con i rispettivi dischi di accrescimento Rappresentazione artistica della coppia di buchi neri in procinto di fondersi, con i rispettivi dischi di accrescimento Image credit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) - Processing: Marco Di Lorenzo

 Lenta ma inesorabile, continua l'analisi dettagliata dei dati raccolti in 11 mesi di osservazioni da parte delle antenne gravitazionali LIGO e Virgo, ormai ferme da oltre 4 mesi per manutenzione. E le sorprese non mancano di certo!

 Dopo l'annuncio, a fine Aprile, della prima fusione "asimmetrica" di due buchi neri con masse molto diverse (GW190412), seguita due mesi dopo dallo studio su un merging che ha originato un enigmatico oggetto di massa intermedia tra quella di una stella di neutroni e un buco nero (GW190814), adesso è la volta di un "buco nero di massa intermedia" generato dalla fusione di due "genitori" già decisamente massicci. Si tratta di una scoperta importante perchè è la prima volta che vediamo nascere un corpo la cui esistenza era stata solo ipotizzata, nella regione che cade tra i buchi neri di massa stellare (meno di 100 masse solari) e quella dei buchi neri supermassicci (da centinaia di migliaia fino a milioni o addirittura miliardi di volte il Sole). Si ritiene che questi buchi neri supermassicci, situati al centro dei nuclei galattici attivi, siano il risultato finale della fusione ripetuta tra buchi neri più piccoli attraverso una sorta di "merging gerarchico".

GW190521 wave

Forma d'onda e corrispondente grafico frequenza-tempo prodotta nei tre rivelatori da GW190521 - Credits: Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) - Phys. Rev. Letters

 L'evento di cui stiamo parlando è stato osservato dai tre interferometri il 21 maggio 2019 e quindi è stato battezzato GW190521. In quella data, la lista dei "super-eventi" riportati sul database "GraceDB" riportava eccezionalmente due eventi, a meno di 5 ore uno dall'altro; questo era il primo segnale, rivelato alle 3:02 UT e fin dall'inizio classificato come probabile "black-hole merging", ma con il 3% di probabilità di essere di origine terrestre.

 Due articoli al riguardo, firmati da un esercito di ricercatori del consorzio LIGO-Virgo, sono usciti proprio oggi su Astrophysical Journal e su Physical Review Letters. In precedenza, la strana forma del segnale, diverso dal solito "chirp" caratteristico del merging, ha fatto sospettare che si trattasse di un fenomeno esotico, persino un segnale da un ipotetico wormhole. Invece l'anomalia derivava probabilmente dalla grande massa dai due progenitori ed anche dall'orientamento insolito dei loro assi di rotazione, quasi perpendicolari al piano orbitale come si vede nella figura sottostante. Tuttavia, gli stessi autori del primo articolo ammettono che potrebbero esserci altre spiegazioni, ad esempio legate ad una elevata eccentricità nelle orbite dei due buchi neri.

GW190521 spin

Credits: Raùl Rubio/Virgo Valencia group/The Virgo Collaboration

 Studiando la forma dell'onda generata, i valori più probabili per le masse dei due buchi neri progenitori sono 66 e 85 masse solari rispettivamente; pertanto, il secondo buco nero è il più massiccio finora osservato prima di un merging e quasi sicuramente almeno uno dei due cade nell'intervallo teorico 65÷120 M in cui si dovrebbe creare una "instabilità di coppia" che impedisce la formazione di buchi neri. Questo avverrebbe perchè, in stelle di questa massa, il nucleo di Elio produce coppie elettroni-positroni che fanno abbassare la pressione interna e causano un collasso e un riscaldamento che innesca la fusione di Ossigeno e Silicio, rendendo la stella instabile; se il nucleo ha una massa inferiore a 64 masse solari, i modelli prevedono che tale instabilità faccia pulsare la stella e ne causi un marcato "alleggerimento" tramite espulsione di massa, fino al raggiungimento di una temporanea stabilità; in seguito la stella esplode come supernova oppure collassa direttamente, lasciando un buco nero. Se però il nucleo è più massiccio, da 64 a 135 M, allora l'instabilità di coppia causa la totale distruzione della stella, senza lasciare alcun residuo compatto. Gli autori analizzano i punti deboli di questo modello per giustificare l'esistenza di buchi neri così massicci nella coppia osservata.

 masse

Rappresentazione delle masse dei buchi neri finora osservati tramite onde gravitazionali - Image credit: : LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

 Il prodotto della fusione è un buco nero finale totalizza presumibilmente 142 masse solari, comunque compreso tra 126 e 170 M. Da notare che, rispetto alla massa dei due progenitori, c'è un ammanco di ben 9 M, completamente convertite in energia gravitazionale. In base a questo valore, sulla base dell'intensità effettivamente osservata nel segnale, gli autori deducono uno spostamento verso il rosso di circa 0,8 e quindi una distanza effettiva di 7,5 miliardi di anni luce, con un'ampia incertezza. Essi stimano pure, sulla base dell'unico evento osservato, che fusioni simili a questa si verificano ogni 7-8 anni in un volume di 1 Gpc2 (circa 35 miliardi di anni luce cubici).

 Gli autori ritengono improbabile che il segnale possa essere il risultato della fusione di due buchi neri più piccoli, casualmente amplificati da un effetto di lente gravitazionale.

 

Riferimenti:
https://www.ligo.org/news/index.php#O3aMSP

Altre informazioni su questo articolo

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58 | Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Media

Simulazione numerica del merging, con visualizzazione dello schema di emissione delle onde gravitazionali e della corrispondente funzione d'onda. Credit: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

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