Indizi per decifrare la forma dei buchi neri

Un team di ricercatori sulle onde gravitazionali guidato dall’ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) riferisce che quando due buchi neri si scontrano e si fondono, il buco nero residuo “cinguetta” non una, ma più volte, emettendo onde gravitazionali – intense increspature nello spazio e nel tempo, che rivelano informazioni sulla sua forma. 

I buchi neri sono tra gli oggetti più affascinanti dell’universo. Sulla loro superficie, nota come orizzonte degli eventi, la gravità è così forte che nemmeno la luce può sfuggire. Di solito, i buchi neri sono oggetti silenziosi che ingoiano tutto ciò che cade nelle loro vicinanze; tuttavia, quando due buchi neri si scontrano e si fondono, producono uno degli eventi più catastrofici dell’universo. In una frazione di secondo, un buco nero altamente deformato si forma e rilascia enormi quantità di energia mentre si deposita al suo stato finale. Questo fenomeno offre agli astronomi un’opportunità unica di osservare i buchi neri in rapida evoluzione ed esplorare la gravità nella sua forma più estrema.

Sebbene in collisione non producano luce, gli astronomi possono osservare le onde gravitazionali rilevate che creano – increspature nel tessuto dello spazio e del tempo. Gli scienziati ipotizzano che, dopo una collisione, il comportamento del buco nero residuo sia la chiave per comprendere la gravità e dovrebbe essere codificato nelle onde gravitazionali emesse.

Nell’articolo pubblicato su Communications Physics, gli scienziati, guidati dall’allievo di OzGrav, il Prof. Juan Calderón Bustillo, riportano come le onde gravitazionali codificano la forma dei buchi neri che si fondono mentre si stabiliscono nella loro forma finale.

Lo studente laureato e coautore Christopher Evans del Georgia Institute of Technology (USA) afferma: “Abbiamo eseguito simulazioni di collisioni di buchi neri utilizzando supercomputer e poi abbiamo confrontato la forma in rapida evoluzione del buco nero residuo con le onde gravitazionali che emette. Abbiamo scoperto che questi segnali sono molto più ricchi e complessi di quanto si pensi comunemente, permettendoci di saperne di più sulla forma enormemente mutevole del buco nero finale“.

Le onde gravitazionali provenienti dalla collisione dei buchi neri sono semplici segnali noti come “cinguetii”. Quando i due buchi neri si avvicinano, emettono un segnale di frequenza e ampiezza crescente che indica la velocità e il raggio dell’orbita. Il prof. Calderón Bustillo afferma: “Il tono e l’ampiezza del segnale aumentano man mano che i due buchi neri si avvicinano sempre più velocemente. Dopo la collisione, il buco nero residuo finale emette un segnale con un tono costante e un’ampiezza decadente, come il suono di una campana.” Questo principio è coerente con tutte le osservazioni di onde gravitazionali.

Tuttavia, lo studio ha scoperto che accade qualcosa di completamente diverso se la collisione viene osservata dall’ “equatore” del buco nero finale. “Quando abbiamo osservato i buchi neri dal loro equatore, abbiamo scoperto che emette un segnale più complesso, con un tono che sale e scende un paio di volte prima di morire“, afferma il prof. Calderón Bustillo. “In altre parole, il buco nero in realtà cinguetta più volte.”

Il team ha scoperto che questo è correlato alla forma del buco nero finale, che agisce come una sorta di faro di onde gravitazionali: “Quando i due buchi neri originari sono di dimensioni diverse, il buco nero finale inizialmente sembra una castagna, con una cuspide su un lato e una parte posteriore più ampia e liscia sull’altro“, dice Bustillo. “Si scopre che emette onde gravitazionali più intense attraverso le sue regioni più curve, che sono quelle che circondano la sua cuspide. Questo perché anche il buco nero residuo sta ruotando e la estremità appuntita e il suo retro puntano ripetutamente verso tutti gli osservatori, producendo più cinguettii.”

Il coautore Prof. Pablo Laguna, ex presidente della School of Physics presso Georgia Tech e ora professore presso l’Università del Texas ad Austin, ha dichiarato: “Mentre una relazione tra le onde gravitazionali e il comportamento del buco nero è stata a lungo ipotizzata, il nostro studio fornisce il primo esempio esplicito di questo tipo di relazione “.

Lo studio è stato pubblicato su Communications Physics.