Gli astronomi hanno scoperto la prima solida prova che gli eventi di fusione tra i buchi neri possono fornire un “calcio” abbastanza potente da far girare un buco nero fuori dalla sua galassia.
Il team, che includeva Vijay Varma, un fisico del Max Planck Institute for Gravitational Physics, Albert Einstein Institute, Germania, ha esaminato i dati delle onde gravitazionali dell’evento di fusione noto come GW200129 raccolti dai rivelatori LIGO e dalla loro controparte europea, Virgo. Attraverso tale analisi, gli scienziati hanno scoperto che il buco nero creato in quella collisione e fusione era stato lanciato nello spazio a 3 milioni di mph (4,8 milioni di km/h), una scoperta descritta da un membro del team come “sorprendente e scioccante”.
“Quando due buchi neri si scontrano, lasciano dietro di sé un buco nero residuo più massiccio. Questo processo può impartire un “calcio” di rinculo al buco nero residuo”, ha detto a Space.com Varma, autore principale di un documento che descrive in dettaglio il lavoro del team. .
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Quando i buchi neri orbitano l’uno intorno all’altro, emettono onde gravitazionali — essenzialmente radiazioni gravitazionali — che portano via energia e momento angolare mentre si increspano attraverso il tessuto dello spazio. Queste emissioni causano il restringimento dell’orbita, portando a una collisione e alla fusione dei buchi neri.
Se i buchi neri hanno masse o spin disuguali, tuttavia, ciò porta a un’asimmetria nell’emissione delle onde gravitazionali, che vengono emesse principalmente in una direzione. Poiché le leggi di base della fisica richiedono che la quantità di moto debba essere conservata, questa asimmetria si traduce in un grande calcio, che fa indietreggiare il buco nero residuo nella direzione opposta.
“Le fusioni di buchi neri emettono anche radiazioni gravitazionali, simili ai processi astrofisici che emettono radiazioni elettromagnetiche — luce”, continuò Varma.
Questi grandi calci sono previsti quando il piano orbitale della fusione precesse, o “oscilla”. La precessione orbitale è osservabile come una piccola modifica di ampiezza nel segnale dell’onda gravitazionale. “Questo sistema binario di buchi neri è anche il primo segnale che mostra forti segni di precessione orbitale, per cui il piano orbitale oscilla”, ha detto a Space.com il coautore Scott Field, un matematico dell’Università del Massachusetts Dartmouth.
Varma ha aggiunto che analizzando la radiazione gravitazionale, astronomi e astrofisici possono conoscere le fusioni di buchi neri. Inoltre, poiché i buchi neri sono influenti nell’evoluzione delle galassie, saperne di più su questi processi potrebbe rivelare come collezioni di stelle come la via Lattea sviluppare.
Questa è la prima volta che gli astronomi hanno raccolto prove evidenti che una tale fusione può espellere il buco nero risultante dalla sua galassia.
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“A differenza degli eventi di fusione di buchi neri osservati in precedenza, questo è il primo a fornire prove evidenti dell’enorme velocità di rinculo. Abbastanza grande, infatti, da consentire al buco nero residuo di fuggire molto probabilmente dal suo ambiente ospite”, ha detto Field. “Anche se sapevamo che la relatività generale consentiva in linea di principio possibilità così estreme, non sapevamo se l’universo le avrebbe prodotte. La velocità del buco nero finale è sufficientemente grande da superare molto probabilmente la velocità di fuga del suo ambiente ospite”.
Field ha aggiunto che questo risultato avrà importanti implicazioni anche per gli scenari di formazione di buchi neri binari. Questo perché i buchi neri supermassicci, come Sagittario A* (Sgr A*) nel cuore della Via Lattea, si formano attraverso una serie di collisioni che gli scienziati chiamano fusioni gerarchiche. I buchi neri cacciati da una galassia non possono partecipare a questo processo.
Fusioni che danno lo stivale ai buchi neri
La scoperta di fusioni sufficientemente sbilenche da dare un potente calcio ai buchi neri è ora possibile grazie alla tecnologia che consente rilevamenti più precisi delle onde gravitazionali.
“Le fusioni di buchi neri non emettono luce, quindi le onde gravitazionali sono l’unico modo per osservarle e conoscerle. Non sapremmo di questo buco nero canaglia espulso senza osservatori delle onde gravitazionali”, ha aggiunto Field.
Gli scienziati non sono esattamente sicuri di dove abbia avuto origine l’evento dell’onda gravitazionale GW200129, quindi Field sottolinea che il team non può essere completamente sicuro che il buco nero sia stato espulso dalla sua galassia, ma questo è il probabile risultato del suo movimento a velocità così estreme, secondo ai ricercatori.
“Se è davvero così, ora vaga per l’universo da solo come un buco nero canaglia”, ha detto Varma.
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La fusione avvenuta qui potrebbe essere una versione in miniatura di un evento ancora più drammatico, ha osservato. “Un fenomeno simile si verifica quando i buchi neri supermassicci si fondono, cosa che può accadere dopo una fusione galattica”, ha detto Varma. “L’ultimo buco nero supermassiccio può essere spostato dal centro della galassia unita, o addirittura espulso da essa, lasciando dietro di sé una galassia senza un buco nero centrale”.
Sebbene i rivelatori di onde gravitazionali esistenti non siano abbastanza potenti per osservare le fusioni di buchi neri supermassicci, gli autori hanno aggiunto che i futuri rivelatori spaziali come la proposta missione LISA (Laser Interferometer Space Antenna), potrebbero essere in grado di farlo.
“L’astronomia delle onde gravitazionali ha prodotto molte scoperte ad alto impatto e davvero straordinarie negli ultimi cinque anni circa”, ha detto Field. “Prima del primo rilevamento delle onde gravitazionali, il mantra del nostro campo era che le onde gravitazionali avrebbero aperto una nuova finestra sull’universo. E questo si è dimostrato vero con ogni nuova corsa di osservazione di LIGO”.
La ricerca è descritta in a carta (si apre in una nuova scheda) pubblicato il 12 maggio sulla rivista Physical Review Letters.
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