Utilizzando le onde gravitazionali, le minuscole increspature nello spazio-tempo previste da Albert Einstein, gli astronomi hanno scoperto che un “cimitero stellare” è pieno di fusioni tra i resti di stelle. Questi resti, come i buchi neri e le stelle di neutroni, si creano quando stelle di grandi dimensioni muoiono in esplosioni di supernova. Le prove di queste fusioni sono arrivate anche sotto forma dei buchi neri binari più massicci mai “ascoltati” finora.
Nuove scoperte nel mondo delle onde gravitazionali
Questi dati sono stati raccolti dai rivelatori di onde gravitazionali LIGO, Virgo e KAGRA. L’analisi ha raddoppiato il numero noto di “fusioni miste” tra buchi neri e stelle di neutroni, da uno a due. In totale, sono state “ascoltate” 128 nuove fusioni di vario tipo durante i primi nove mesi della quarta campagna operativa, andata da maggio 2023 a gennaio 2024.
“Questo nuovo aggiornamento mette in luce le capacità sia della rete internazionale di rivelatori di onde gravitazionali sia delle tecniche di analisi sviluppate per estrarre segnali molto deboli dai dati”, ha dichiarato Daniel Williams, capo del team di ricerca dell’Università di Glasgow. “Quello che abbiamo osservato nella prima parte della campagna di osservazione ha ampliato la nostra comprensione del cimitero cosmico, e abbiamo anche visto i buchi neri più pesanti di sempre”.
Questa nuova ricerca potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio il ciclo di vita e morte delle stelle che porta alla creazione dei buchi neri e delle stelle di neutroni. Potrebbe anche far luce sul processo attraverso cui i buchi neri aumentano di dimensioni, scontrandosi e fondendosi. Christopher Berry, un altro membro del team, ha paragonato questa ricerca al lavoro dei paleontologi: “Allo stesso modo in cui un paleontologo può scoprire di più sui dinosauri estinti da tempo osservandone le ossa fossilizzate, noi possiamo scoprire di più sulle stelle osservando i loro resti di buchi neri o stelle di neutroni”.
Un puzzle cosmico
Le stelle più grandi vivono per meno tempo, il che le rende difficili da studiare. Fortunatamente, le loro “ceneri” possono rivelare molto. Come ha spiegato Berry, le stelle vivono in vari ambienti, alcuni estremamente densi, come gli ammassi stellari, dove milioni di stelle sono raggruppate. In questi ambienti, dopo che due buchi neri si sono fusi, il buco nero risultante può trovare un nuovo compagno e fondersi di nuovo, creando un buco nero ancora più grande.
Con il catalogo GWTC-4.0, gli scienziati hanno trovato prove che alcune delle sorgenti potrebbero provenire da buchi neri nati da fusioni precedenti, non dal semplice collasso di una stella. “Separare i buchi neri formati dal collasso di stelle da quelli formati da fusioni precedenti ci dirà come vivono le stelle e dove vivono nell’universo”, ha continuato Berry, paragonando questa ricerca a quella dei paleontologi che studiano le ossa dei dinosauri.
Questa ricerca non solo fornisce un quadro più completo della vita e della morte delle stelle più massicce, ma può anche aiutare a comprendere meglio la velocità di espansione dell’universo. Questa velocità è nota come costante di Hubble. Come ha spiegato Rachel Gray, una delle ricercatrici, “una caratteristica unica delle fusioni di buchi neri è che possiamo determinare la loro distanza direttamente dalla nostra osservazione”.
Ciò significa che ogni fusione rilevata fornisce informazioni sulla velocità di espansione dell’universo. Combinando questi dati provenienti da molteplici fusioni, gli scienziati possono migliorare la loro misurazione della costante di Hubble, aiutando a risolvere una delle domande più grandi dell’astronomia moderna.
Il nuovo set di dati contiene anche un segnale gravitazionale chiamato GW230814, il più forte mai rilevato da questi strumenti. Osservazioni come questa sono ideali per testare la teoria della relatività generale di Einstein. “Più forte è il segnale, più precise saranno le nostre misurazioni di eventuali deviazioni”, ha affermato lo scienziato John Veitch. “Finora, Einstein ha superato ogni test, ma continueremo a indagare più a fondo!”. Per ottenere risultati precisi, è essenziale che le osservazioni provengano da più rivelatori, in modo da poter confrontare i segnali.
Sensibilità migliorata per nuove scoperte
Le recenti scoperte sono state rese possibili dagli aggiornamenti dei rivelatori di onde gravitazionali LIGO, Virgo e KAGRA, situati negli Stati Uniti, in Italia e in Giappone. A partire dal 2020, questi strumenti hanno visto la loro sensibilità aumentare in modo significativo.
Andrew Spencer, un ricercatore dell’IGR, ha spiegato che durante la quarta sessione di osservazione i rivelatori sono stati in grado di effettuare misurazioni con una sensibilità superiore del 25% rispetto alla sessione precedente. Questo miglioramento ha permesso agli scienziati di osservare una porzione molto più ampia dell’Universo.
Nonostante i notevoli progressi, un aspetto ha sorpreso gli scienziati: l’assenza di lampi di luce che avrebbero dovuto accompagnare le due fusioni miste tra buchi neri e stelle di neutroni, rappresentate dai segnali GW230529 e GW230518.
Daniel Williams ha espresso ottimismo per il futuro. “Questa volta non abbiamo visto nulla a parte le onde gravitazionali provenienti da queste fusioni, ma nuovi telescopi entusiasmanti come il Vera Rubin Telescope fanno sì che la rilevazione congiunta di onde gravitazionali e luce stia diventando molto più probabile”, ha concluso, suggerendo che le future scoperte potrebbero fornire un quadro ancora più completo di questi eventi cosmici.
La ricerca del team è disponibile come preprint sul sito di archiviazione degli articoli arXiv.
