Se la teoria della relatività generale di Albert Einstein è vera, allora un buco nero, nato dalla collisione di due enormi buchi neri, dovrebbe “risuonare” le conseguenze di questa collisione, producendo onde gravitazionali proprio come una campana percossa riverbera le onde sonore. Einstein predisse che il particolare tono e decadimento di queste onde gravitazionali avrebbero dovuto essere una firma diretta della massa e della rotazione del buco nero appena formato.
Ora, i fisici del MIT e di altri paesi hanno “sentito” per la prima volta il suono di un buco nero appena nato e hanno scoperto che lo schema di questo suono dipende dalla massa e dalla rotazione del buco nero, l’ennesima prova che Einstein aveva ragione.
I risultati, pubblicati in Physical Review Letters, favoriscono anche l’idea che i buchi neri non abbiano alcun tipo di “capelli“, una metafora riferita all’idea che i buchi neri, secondo la teoria di Einstein, dovrebbero mostrare solo tre proprietà osservabili: massa, rotazione e carica elettrica. Tutte le altre caratteristiche, che il fisico John Wheeler ha definito “capelli“, dovrebbero essere inghiottite dal buco nero stesso e sarebbero quindi inosservabili.
I risultati ottenuti dal team supportano l’idea che i buchi neri siano, in effetti, senza capelli. I ricercatori sono stati in grado di identificare lo schema del suono di un buco nero e, usando le equazioni di Einstein, hanno calcolato la massa e la rotazione di quel buco nero in funzione dello schema “sonoro“. I risultati ottenuti combaciavano con le misurazioni della massa del buco nero e dello spin fatti precedentemente da altri.
Se i calcoli si fossero discostati in modo significativo dalle misurazioni precedenti, ciò avrebbe suggerito che l’anello del buco nero codifica proprietà diverse da massa, spin e carica elettrica. A quanto pare, quindi, il motivo “sonoro” del buco nero è una firma diretta della sua massa e rotazione, dando supporto all’idea che i buchi neri sono giganti privi di altre proprietà rilevabili.
“Ci aspettiamo che la relatività generale sia corretta, ma questa è la prima volta che l’abbiamo confermata in questo modo“, afferma l’autore principale dello studio, Maximiliano Isi, membro del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. “Questa è la prima misurazione sperimentale che riesce a testare direttamente il teorema del no-hair. Non significa che i buchi neri non possano avere i capelli. Significa che avremo per un altro giorno un’immagine dei buchi neri senza capelli”.
Un cinguettio, decodificato
Il 9 settembre 2015, gli scienziati hanno individuato per la prima volta le onde gravitazionali, increspature infinitesimali nello spazio-tempo, provenienti da fenomeni cosmici lontani e violenti. Il rilevamento, denominato GW150914, è stato effettuato da LIGO, l’Osservatorio di onde gravitazionali con interferometro laser. Una volta che gli scienziati hanno eliminato il rumore e ingrandito il segnale, hanno potuto osservare una forma d’onda che è cresciuta rapidamente prima di svanire. Quando hanno tradotto il segnale in suono, hanno sentito qualcosa che somigliava a un “cinguettio“.
Gli scienziati hanno determinato che le onde gravitazionali sono state innescate dalla rapida fusione di due enormi buchi neri. Il picco del segnale, la parte più rumorosa del cinguettio, si collegava al momento stesso in cui i buchi neri si scontravano, fondendosi in un unico, nuovo, buco nero. I fisici supponevano che il caratteristico “suono” emanato dal buco nero infantile mentre emanava le sue onde gravitazionali, sarebbe stato troppo debole per rilevarlo in mezzo al clamore della collisione iniziale.
Isi e i suoi colleghi, tuttavia, hanno trovato il modo di estrarre il riverbero del buco nero dai momenti immediatamente successivi al picco del segnale. In un precedente lavoro guidato dal co-autore di Isi, Matthew Giesler, il team aveva dimostrato attraverso simulazioni che tale segnale, e in particolare la porzione immediatamente successiva al picco, contiene “sfumature“, una famiglia di suoni forti e di breve durata. Quando hanno rianalizzato il segnale, tenendo conto delle sfumature, i ricercatori hanno scoperto che potevano isolare con successo un modello sonoro specifico per un buco nero appena formato.
Nel nuovo articolo, i ricercatori descritto come hanno applicato questa tecnica ai dati effettivi del rilevamento GW150914, concentrandosi sugli ultimi pochi millisecondi del segnale, immediatamente dopo il picco del cinguettio. Tenendo conto delle sfumature del segnale, sono stati in grado di discernere un suono proveniente dal nuovo buco nero infantile. Nello specifico, hanno identificato due toni distinti, ciascuno con un tono e un tasso di decadimento che sono stati in grado di misurare.
“Rileviamo un segnale d’onda gravitazionale complessivo composto da più frequenze, che si attenuano a frequenze diverse, come i diversi toni che formano un suono“, afferma Isi. “Ogni frequenza o tono corrisponde a una frequenza vibrazionale del nuovo buco nero“.
Ascoltando oltre Einstein
La teoria della relatività generale di Einstein prevede che l’intonazione e il decadimento delle onde gravitazionali di un buco nero dovrebbero essere un prodotto diretto della sua massa e rotazione. Cioè, un buco nero di una determinata massa e rotazione può produrre solo toni di un determinato tono e decadimento. Come test della teoria di Einstein, il team ha usato le equazioni della relatività generale per calcolare la massa e la rotazione del buco nero appena formato, dati l’intonazione e il decadimento dei due toni rilevati.
I risultati dei calcoli sono chiaramente abbinabili alle misurazioni della massa del buco nero e degli spin precedentemente fatti da altri. Secondo Isi questi risultati dimostrano che i ricercatori possono, in effetti, utilizzare le parti più rumorose e più rilevabili di un segnale di onde gravitazionali per discernere lo squillo di un nuovo buco nero, dove prima gli scienziati presumevano che questo squillo potesse essere rilevato solo nella parte molto più debole del segnale dell’onda gravitazionale, e solo con strumenti molto più sensibili di quelli attualmente esistenti.
“Questo è entusiasmante per la comunità perché dimostra che questo tipo di studi è possibile ora, non tra 20 anni“, spiega Isi.
Man mano che LIGO migliora la sua risoluzione e strumenti più sensibili saranno disponibili in futuro, i ricercatori saranno in grado di utilizzare questo metodo per “ascoltare” il suono di altri buchi neri appena nati. E se dovesse capitare di raccogliere toni non esattamente corrispondenti alle previsioni di Einstein, ebbene, questa potrebbe essere una prospettiva ancora più eccitante.
“In futuro avremo rilevatori migliori sulla Terra e nello spazio e saremo in grado di vedere non solo due, ma decine di modalità e definire con precisione le loro proprietà“, afferma Isi. “Se questi non fossero buchi neri, se fossero oggetti più esotici come wormhole o stelle di bosoni, potrebbero non risuonare allo stesso modo e avremo la possibilità di distinguerli“.
Fonte: Phys.org
