Un nuovo modello cosmico per rivelare l’interno dei buchi neri in collisione

Un documento di ricerca presenta un nuovo metodo per analizzare le onde emesse dai buchi neri quando si scontrano.

Nel 2015, gli scienziati hanno rilevato per la prima volta le onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo che si verificano quando eventi cosmici di notevole portata, come la collisione e la fusione di due buchi neri, sconvolgono il cosmo. L’osservazione di queste onde confermò la teoria della relatività generale di Einstein, che prevedeva che tali onde si sarebbero verificate se lo spazio-tempo avesse funzionato come credeva. Nei sette anni successivi, sono stati rilevati quasi 100 buchi neri in fusione osservando le onde gravitazionali emesse da questi eventi.

Ora, grazie a nuove ricerche, la capacità di modellare questi eventi cosmici è diventata più sofisticata. Il team di 14 ricercatori era guidato dallo studente di dottorato del Caltech e allume del Columbia College Keefe Mitman, dal postdoc della Columbia Macarena Lagos, dal professore della Columbia Lam Hui e dal professore dell’Università del Mississippi Leo Stein. Il modello migliorato che hanno sviluppato apre la strada a una comprensione più profonda della struttura della fusione dei buchi neri.

“Questo è un grande passo per prepararci alla prossima fase del rilevamento delle onde gravitazionali, che  approfondirà la nostra comprensione della gravità e di questi incredibili fenomeni che si verificano nelle zone più remote del cosmo“, ha commentato Lagos, coautore dell’articolo.

La ricerca arriva in un momento opportuno: questo marzo, LIGO , l’osservatorio che per primo ha rilevato le onde gravitazionali, sarà alimentato per raccogliere nuove osservazioni di eventi che si svolgono nelle profondità dello spazio. L’osservatorio non è attivo dal 2020, quando è stato chiuso a causa della pandemia. Si prevede che molti altri rilevatori inizieranno a raccogliere dati nei prossimi anni, il che rende ancora più importante disporre di modelli sofisticati per interpretare le informazioni in arrivo.

Il coautore Lam Hui ha usato un’analogia per descrivere le informazioni che le onde gravitazionali possono fornire: “Se ti do una scatola e ti chiedo cosa c’è dentro, la cosa naturale da fare è scuoterla. Questo ti direbbe se all’interno della scatola ci sono caramelle o monete. Questo è quello che stiamo cercando di fare con questi modelli, è raccogliere un’idea del contenuto interno di un buco nero ascoltando il suono che viene emesso quando viene scosso“. Lo “scuotimento” nel caso dei buchi neri è la rottura che si verifica quando due di essi si scontrano e si fondono. «Ascoltando le armoniche che emette, possiamo valutare la struttura spazio-temporale del buco nero».

I modelli di onde gravitazionali emesse dopo la fusione di due buchi neri, fino ad oggi hanno incluso solo interazioni lineari, che funzionano bene, fornendo preziose informazioni sulla struttura e sui contenuti dei buchi neri. Questo nuovo modello, tuttavia, potrebbe offrire un miglioramento fino al 10% nell’accuratezza complessiva dei modelli di buco nero, come affermano gli autori dell’articolo.

Per comprendere l’importanza dell’uso della non linearità per descrivere le onde gravitazionali, gli autori hanno descritto le onde in un oceano: Un’onda che sale e scende senza schizzare acqua nell’aria potrebbe essere descritta con un’equazione lineare. Ma un’onda che produce una cresta di spuma e si infrange mostra interazioni non lineari: mentre parte dell’acqua si gonfia sul fondo dell’onda, altra acqua si schianta simultaneamente a sinistra, a destra, in alto e in basso in viticci e goccioline d’acqua sopra di essa. Un modello non lineare dell’onda ti permetterebbe di capire come e quando tutta l’acqua nell’onda, comprese quelle goccioline trasportate dall’aria, si sta muovendo. Le onde gravitazionali sono simili alle onde d’acqua e il nuovo modello è in grado di spiegare l’equivalente extraterrestre di gocce d’acqua extra.

“Ci stiamo preparando per quando diventeremo investigatori di onde gravitazionali, quando scaveremo più a fondo per capire tutto ciò che possiamo sulla loro natura“, ha detto Stein, uno degli autori del documento.

Riferimento: “Nonlinearities in Black Hole Ringdowns” di Keefe Mitman, Macarena Lagos, Leo C. Stein, Sizheng Ma, Lam Hui, Yanbei Chen, Nils Deppe, François Hébert, Lawrence E. Kidder, Jordan Moxon, Mark A. Scheel, Saul A. Teukolsky, William Throwe e Nils L. Vu, 22 febbraio 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.081402