A 7 miliardi di anni luce di distanza, la fusione di una coppia di buchi neri ne ha generato uno di massa intermedia, il primo ad essere individuato. La scoperta grazie alle onde gravitazionali 

Il buco nero di massa intermedia è il risultato della collisione di due buchi neri. Il segnale dell’onda gravitazionale, rilevato dagli interferometri LIGO e Virgo il 21 maggio 2019 e chiamato GW 190521, è stato estremamente breve rispetto ai precedenti rilevamenti di collisioni. Ma il duro lavoro di analisi ha rivelato che il prodotto della fusione era un buco nero circa 142 volte la massa del Sole e che i due oggetti avevano rispettivamente 66 e 85 masse solari. È la collisione più massiccia di qualsiasi altra rilevata nei cinque anni trascorsi da quando sono state rilevate per la prima volta le onde gravitazionali.

Buchi neri
Simulazione di onde gravitazionali che si increspano nel pre-fusione.
Credit: Ferguson et al.

Questo evento apre più domande che risposte“, ha detto il membro di LIGO e fisico Alan Weinstein del Caltech . “Dal punto di vista della scoperta e della fisica, è una cosa molto eccitante“. “Fin dall’inizio questo segnale, che è lungo solo un decimo di secondo, ci ha sfidato a identificare la sua origine“, ha detto la fisica teorica Alessandra Buonanno del Max Planck Institute for Gravitational Physics in Germania e dell’Università del Maryland.  “Ma, nonostante la sua brevissima durata, siamo stati in grado di far corrispondere il segnale a quello previsto dalle fusioni di buchi neri, come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein , e ci siamo resi conto di aver assistito, per la prima volta, alla nascita di un buco nero di massa intermedia da un buco nero che molto probabilmente è nato da una precedente fusione binaria“.

Questi risultati non solo gettano nuova luce sui buchi neri di massa intermedia e superiore, ma sono anche una chiave per comprendere un altro mistero: come diventano supermassicci. Dal momento che non emettono o riflettono alcuna radiazione rilevare, di solito non sappiamo nemmeno che siano lì, a meno che non stiano attivamente “divorando materiale”, un processo che emette una grande quantità di radiazioni appena fuori dal buco nero.

Simulazione numerica di due buchi neri che si fondono, emettendo onde gravitazionali

Ma i buchi neri di massa intermedia? 

Sono solo un mistero in un mistero perché sembra che non ne esistano molti. Sono stati individuati buchi neri di massa stellare, fino a 100 volte la massa del Sole, e rilevati buchi neri supermassicci, tipicamente tra un milione e un miliardo di volte più massicci dei buchi neri di massa stellare. Gli astronomi hanno effettuato rilevamenti che vanno nella direzione probabilmente di buchi neri di massa intermedia ma, come con la maggior parte dei rilevamenti, sono indiretti e quindi non certi. Ma le onde gravitazionali ci consentono di rilevare direttamente i buchi neri e il prodotto delle loro fusioni. Il che rende il segnale appena scoperto, GW 190521, la prima osservazione diretta di un buco nero di massa intermedia.

Uno dei grandi misteri dell’astrofisica è come si formano i buchi neri supermassicci” ha detto l’astronomo delle onde gravitazionali Christopher Berry  della Northwestern University. “Abbiamo cercato a lungo un buco nero di massa intermedia per colmare il divario tra buchi neri di massa stellare e supermassicci. Ora, abbiamo la prova che i buchi neri di massa intermedia esistono“.

Onde gravitazionali

Gli attuali modelli

Secondo gli attuali modelli, i buchi neri di circa 65 masse solari non possono formarsi da una singola stella, come quelli di massa stellare. Questo perché le stelle precursori sono così massicce che le loro supernove, note come supernove a instabilità di coppia, dovrebbero cancellare completamente il nucleo stellare, senza lasciare nulla fino a collassare gravitazionalmente in un buco nero. Questo crea quello che chiamiamo “gap di massa superiore” (il gap di massa inferiore è tra i buchi neri e le stelle di neutroni). Il buco nero di 85 masse solari di GW 190521 è il primo buco nero rilevato con sicurezza in questo gap di massa.

Buco nero
Rappresentazione artistica di un buco nero
Risultato di una precedente fusione?

Rilevare un buco nero esattamente in questo gap di massa potrebbe significare che non comprendiamo le supernove massicce come pensavamo o, forse più probabile, che il buco nero di 85 masse solari fosse il risultato di una precedente fusione. “Non sappiamo ancora se GW190521 sia una classe completamente nuova di buchi neri binari “ha detto il fisico Karsten Danzmann dell’Istituto Albert Einstein di Hannover e dell’Istituto di fisica gravitazionale dell’Università Leibniz di Hannover in Germania. Fare queste rilevazioni dirette per la prima volta è tremendamente eccitante e rappresenta il meglio di una scoperta scientifica: rispondere alle domande e porsene tante altre. “Siamo davvero agli albori dell’astronomia delle onde gravitazionali“, ha detto l’astronomo Chase Kimball della Northwestern University. “È difficile scegliere un momento migliore per diventare un astrofisico.

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