Negli ultimi 6 anni, gli osservatori di onde gravitazionali hanno rilevato fusioni di buchi neri, verificando un’importante previsione della teoria della gravità di Albert Einstein. Ma c’è un problema: molti di questi buchi neri sono inaspettatamente grandi. Ora, un team di ricercatori dell’Università delle Hawaii a Mānoa, dell’Università di Chicago e dell’Università del Michigan ad Ann Arbor, ha proposto una nuova soluzione a questo problema: i buchi neri crescono insieme all’espansione dell’universo.
Dalla prima osservazione della fusione dei buchi neri da parte del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nel 2015, gli astronomi sono stati ripetutamente sorpresi dalle loro grandi masse. Sebbene non emettano luce, queste fusioni vengono osservate attraverso la loro emissione di onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spaziotempo previste dalla teoria della relatività generale di Einstein. Inizialmente i fisici si aspettavano che i buchi neri avessero masse inferiori a circa 40 volte quella del Sole, perché i buchi neri che si fondono derivano da stelle massicce, che non possono tenersi insieme se diventano troppo grandi.
Gli osservatori LIGO e Virgo, tuttavia, hanno trovato molti buchi neri con masse maggiori di quella di 50 soli, con alcuni massicci fino a 100 soli. Sono stati proposti numerosi scenari di formazione per produrre buchi neri così grandi, ma nessun singolo scenario è stato in grado di spiegare la diversità delle fusioni di buchi neri osservate finora e non c’è accordo su quale combinazione di scenari di formazione sia fisicamente praticabile. Questo nuovo studio, pubblicato sull’Astrophysical Journal Letters, è il primo a dimostrare che le masse dei buchi neri grandi e piccoli possono derivare da un unico percorso, in cui i buchi neri guadagnano massa dall’espansione dell’universo stesso.
Confronto delle osservazioni sulla fusione dei buchi neri con le previsioni del nuovo modello. L’asse orizzontale mostra la massa totale di entrambi i buchi neri in ogni singola fusione, rispetto alla massa del Sole. L’asse verticale fornisce una misura di quanto lontano nel passato è stata osservata la fusione, dove uno spostamento verso il rosso (indicato con z) di 1 corrisponde a quando l’Universo era la metà della sua dimensione attuale e z = 0 è oggi. Le osservazioni LIGO—Virgo vengono visualizzate come croci nere, con croci più piccole che rappresentano misurazioni con incertezze minori. Le previsioni per i buchi neri in un universo statico (non in espansione) sono mostrate nella regione arancione, con l’ombreggiatura più scura che rappresenta gli oggetti più previsti. Questi sono in contrasto con le previsioni per i buchi neri cosmologicamente accoppiati in un universo in crescita, che sono mostrati nella regione blu. Credito: Università delle Hawaii,
Gli astronomi in genere modellano i buchi neri all’interno di un universo che non può espandersi. “È un presupposto che semplifica le equazioni di Einstein perché un universo che non cresce ha molto meno di cui tenere traccia“, ha affermato Kevin Croker, professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’UH Mānoa. “C’è un compromesso però: le previsioni possono essere ragionevoli solo per un periodo di tempo limitato“.
Poiché i singoli eventi rilevabili da LIGO—Virgo durano solo pochi secondi, quando si analizza un singolo evento, questa semplificazione è sensata. Ma queste stesse fusioni richiedono potenzialmente miliardi di anni. Durante il tempo che intercorre tra la formazione di una coppia di buchi neri e la loro eventuale fusione, l’universo cresce profondamente. Se si considerano attentamente gli aspetti più sottili della teoria di Einstein, emerge una possibilità sorprendente: le masse dei buchi neri potrebbero crescere di pari passo con l’universo, un fenomeno che Croker e il suo team chiamano accoppiamento cosmologico.
L’esempio più noto di materiale accoppiato cosmologicamente è la luce stessa, che perde energia man mano che l’universo cresce. “Abbiamo pensato di considerare l’effetto opposto“ , ha detto il coautore della ricerca e professore di fisica e astronomia di UH Mānoa Duncan Farrah. “Cosa osserverebbe LIGO-Virgo se i buchi neri fossero accoppiati cosmologicamente e guadagnassero energia senza la necessità di consumare altre stelle o gas?“
Per indagare su questa ipotesi, i ricercatori hanno simulato la nascita, la vita e la morte di milioni di coppie di grandi stelle. Eventuali coppie in cui entrambe le stelle sono morte per formare buchi neri sono state quindi collegate alle dimensioni dell’universo, a partire dal momento della loro morte. Mentre l’universo continuava a crescere, le masse di questi buchi neri crescevano mentre si avvicinavano a spirale l’una verso l’altra. Il risultato delle simulazioni non furono solo buchi neri più massicci quando le stelle si fusero, ma anche molte più fusioni. Quando i ricercatori hanno confrontato i dati di LIGO-Virgo con le loro previsioni, hanno constatato una ragionevole concordanza. “Devo dire che all’inizio non sapevo cosa pensare“ , ha affermato Gregory Tarlé, coautore della ricerca e professore dell’Università del Michigan. “Era un’idea così semplice, sono rimasto sorpreso che funzionasse così bene“.
Secondo i ricercatori, questo nuovo modello è importante perché non richiede alcuna modifica alla nostra attuale comprensione della formazione, evoluzione o morte stellare. L’accordo tra il nuovo modello e i nostri dati attuali deriva semplicemente dal riconoscere che in un universo statico non esistono buchi neri realistici. I ricercatori sono stati attenti a sottolineare, tuttavia, che il mistero di LIGO, gli enormi buchi neri della Vergine è tutt’altro che risolto.
“Molti aspetti della fusione dei buchi neri non sono noti in dettaglio, come gli ambienti di formazione dominanti e gli intricati processi fisici che persistono per tutta la vita“ , ha affermato il co-autore della ricerca e Hubble Fellow della NASA Dr. Michael Zevin. “Anche se abbiamo usato una popolazione stellare simulata che riflette i dati che abbiamo attualmente, c’è molto margine di manovra. Possiamo vedere che l’accoppiamento cosmologico è un’idea utile, ma non possiamo ancora misurare la forza di questo accoppiamento“.
Il coautore della ricerca e professore di fisica e astronomia dell’UH Mānoa Kurtis Nishimura ha espresso il suo ottimismo per i futuri test di questa nuova idea, “Poiché gli osservatori di onde gravitazionali continueranno a migliorare la sensibilità nel prossimo decennio, l’aumento della quantità e della qualità dei dati consentirà nuove analisi tecniche. Questo sarà misurato abbastanza presto“.
Riferimento: “Cosmologically Coupled Compact Objects: A Single-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions” di Kevin S. Croker, Michael Zevin, Duncan Farrah, Kurtis A. Nishimura e Gregory Tarlé, 3 novembre 2021, The Astrophysical Journal Letters .
DOI: 10.3847/2041-8213/ac2fad
