Ligo potrebbe avere rilevato una fusione di buchi neri primordiali

In quasi cinque anni dalla loro prima rilevazione diretta, le onde gravitazionali sono diventate uno degli argomenti più discussi in astronomia. Attraverso strutture come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), i ricercatori hanno utilizzato queste increspature dello spazio-tempo principalmente per studiare il funzionamento interno della fusione dei buchi neri, ma LIGO ha anche rilevato onde gravitazionali da altri tipi di incidenti celesti, come collisioni di resti stellari ultradensi chiamati stelle di neutroni. A volte, tuttavia, LIGO rileva onde gravitazionali che lasciano gli astronomi perplessi, come nel caso di GW190425, un evento rilevato lo scorso aprile che è stato recentemente attribuito a una fusione di stelle di neutroni.
Il fatto che ha lasciato perplessi gli astronomi è che i dati di LIGO suggeriscono che questa coppia di stelle di neutroni era sostanzialmente in sovrappeso, collettivamente, circa 3,4 volte la massa del sole, che è mezza massa solare più pesante dei binari a stella di neutroni più massicci mai visti. “È il più pesante binario di stelle di neutroni conosciuto, e con un margine piuttosto ampio“, ha affermato Chad Hanna, un astrofisico della Pennsylvania State University che caccia le onde gravitazionali.
Alcuni teorici sospettano che GW190425 non sia nato dalla collisione di stelle di neutroni, ma piuttosto qualcosa di molto più esotico: una fusione di due buchi neri primordiali (PBH), oggetti mai visti prima che sono considerati possibili candidati come causa dell’esistenza della materia oscura — qualcosa di ancora non identificato che costituisce la maggior parte della materia dell’universo.
Secondo la teoria, i buchi neri primordiali si sarebbero formati dalle fluttuazioni di densità nell’universo primordiale e potrebbero ancora esistere oggi; potrebbero essere due buchi neri primordiali la causa della discrepanza di massa identificata nelle recenti osservazioni di LIGO.
Quasi mezzo secolo fa, il cosmologo Stephen Hawking propose che i PBH potessero essere completamente formati da regioni dell’universo infantile particolarmente dense di materia. Da allora, la popolarità dell’idea tra astrofisici e cosmologi è cresciuta e calata di anno in anno. Oggi, in assenza di prove dirette della loro esistenza, molti ricercatori considerano i PBH un’ipotesi di ultima istanza, da prendere in considerazione solo quando nessun altro scenario si adatta facilmente alle osservazioni. La possibilità che i PBH siano reali e diffusi in tutto l’universo non può ancora essere respinta.
I PBH sono candidati accattivanti per la materia oscura per diversi motivi, ma il più importante è che, essendo buchi neri, sono piuttosto scuri e tuttavia mantengono una forte attrazione gravitazionale. Nonostante ciò, Hanna afferma che se i PBH fossero abbastanza abbondanti da rendere conto di tutta la materia oscura dell’universo, i sondaggi astronomici avrebbero dovuto rilevarli facilmente. Di conseguenza, aggiunge, i PBH possono costituire solo una piccola parte della materia oscura – ammesso che esistano.
Non tutti sono d’accordo. “I buchi neri primordiali possono comprendere tutta la materia oscura“, ha detto Juan García-Bellido, un cosmologo teorico dell’Università Autonoma di Madrid. “Il trucco“, aggiunge, “è che gli oggetti antichi mostrino una serie di masse anziché una singola dimensione definitiva”.
Se i PBH rientrano in una gamma da mille volte meno massiccia del Sole a un miliardo di volte più grande, potrebbero costituire tutta la materia oscura dell’universo. “Tutti i vincoli pubblicati che affermano di escludere i buchi neri primordiali riguardo la ricerca della materia oscura presumono che questi PBH esistano in uno spettro monocromatico o a massa singola e siano uniformemente distribuiti nello spazio“, afferma García-Bellido. Affinché si manifestino così ampie gamme di massa, i PBH dovrebbero raggrupparsi in gruppi compatti in cui potrebbero occasionalmente scontrarsi, fondersi e ingrandirsi.
Poiché i PBH sarebbero stati creati poco dopo il big bang, inizialmente avrebbero potuto facilmente collegarsi tra loro. L’universo primordiale era un posto molto più piccolo di quello che è oggi dopo un’espansione durata quasi 14 miliardi di anni, rendendo più facile per i PBH incontrarsi e fondersi.
Man mano che l’universo continuava ad espandersi e emergevano le prime stelle e galassie, queste fusioni sarebbero diventate sempre più rare. Quindi, mentre è possibile che LIGO abbia osservato la fusione di PBH, in realtà è improbabile, secondo l’astronoma Katerina Chatziioannou, membro del team LIGO presso il Flatiron Institute di New York City e co-autore di uno studio che apparirà su Astrophysical Journal Letters che discute di GW190425 come prodotto della collisione di stelle di neutroni.
Lo scorso aprile, in allerta per la rilevazione da parte di LIGO del GW190425, i telescopi di tutto il mondo hanno cercato un segnale elettromagnetico corrispondente che ci si aspetterebbe in genere dalla collisione esplosiva di due stelle di neutroni. Ma non è stato rilevato alcun segnale del genere, proprio come dovrebbe essere nel caso della fusione di due buchi neri primordiali. “Non ci aspettiamo segnali luminosi dalla fusione di due buchi neri primordiali“, ha spiegato Chatziioannou.
“Anche così“, aggiunge però, “la mancanza di luce non esclude le stelle di neutroni. Le massicce stelle di neutroni avrebbero potuto avere una fusione relativamente placida, collassando direttamente in un buco nero prima di innescare qualsiasi fuoco d’artificio celeste. È anche possibile che la posizione dell’evento nel cielo possa essere da qualche parte che i telescopi terrestri non potrebbero sondare, come in una regione dietro il sole”.
Le più recenti osservazioni forniscono solo accenni allettanti sul fatto che i PBH potrebbero essere là fuori, occasionalmente riuniti nell’oscurità cosmica. Una firma più chiara verrebbe da una coppia di buchi neri in cui ognuno pesa meno del sole. “Se trovassimo un buco nero con una massa inferiore a quella del Sole, questo deriverebbe da un meccanismo che nessuno ha predetto, astrofisicamente, al di fuori di un buco nero primordiale“, chiarisce Hanna. García-Bellido concorda. “La pistola fumante sarebbe la scoperta di un buco nero con meno di una massa solare o un buco nero con una massa maggiore di 50 [volte il Sole]“, dice.
Sebbene le osservazioni di LIGO possano segnare il primo rilevamento di PBH, sia Chatziioannou che Hanna concordano sul fatto che è più probabile che le onde gravitazionali provengano semplicemente da stelle di neutroni in sovrappeso.
Esistono già teorie per la formazione di tali ingombranti stelle di neutroni e non richiedono scenari speculativi dall’alba dell’universo. “È decisamente molto meno probabile che [le fonti di questi eventi] siano buchi neri primordiali rispetto alle sole stelle di neutroni che sono più pesanti di ciò che vediamo nella galassia“, afferma Chatziioannou. “Non è impossibile; è solo meno probabile“.
Sebbene Hanna definisca “debole” il caso di GW190425 come binario di buchi neri primordiali, García-Bellido rimane più ottimista. “Tutti gli eventi LIGO potrebbero essere dovuti a buchi neri primordiali“, afferma. “Solo il tempo, e più dati, lo diranno“.
Fonte: Scientific American