Un’illustrazione della fusione di buchi neri all’interno del confine di un buco nero supermassiccio. Puoi capire molto sull’ascendenza di un essere umano dalle sue caratteristiche generali. Un bambino può avere gli occhi del padre, il sorriso della madre o magari anche la calvizie del nonno (grazie, nonno). Tuttavia, i buchi neri hanno poche caratteristiche distintive — come ha detto il fisico teorico John Wheeler, “i buchi neri non hanno capelli” (proprio come il tuo umile autore). Naturalmente, testare la parentela di un bambino basandosi su caratteristiche fisiche è troppo soggettivo — di solito è qui che entrano in gioco i test del DNA. Tali test possono offrire un modo molto più scientifico di verificare la discendenza di una persona, e nuove ricerche suggeriscono un test di ascendenza analogo per i buchi neri. Piuttosto che fare affidamento su un tampone buccale o un po’ di sangue, tuttavia, questi test del DNA cosmico utilizzano piccole increspature nel tessuto dello spaziotempo chiamate onde gravitazionali, proposte per la prima volta da Albert Einstein 110 anni fa. Un team di scienziati, guidato da ricercatori dell’Università di Cardiff, ha scoperto che l’ascendenza dei buchi neri supermassicci che si formano da una catena di fusione di buchi neri progenitori progressivamente più grandi potrebbe essere nascosta nelle loro rotazioni o “spin”. Inoltre, il metodo del team suggerisce che i modelli di spin di questi buchi neri potrebbero rivelare la regione dello spazio in cui sono nati. Anche i test del DNA umano non possono dirti in quale ospedale è nato un bambino! Le onde gravitazionali, come rilevato da strutture come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e il Virgo Observatory, potrebbero essere utilizzate per “leggere” queste informazioni come la scrittura su un certificato di nascita. “Il nostro studio ci offre un modo potente e basato sui dati per identificare le origini della storia di formazione di un buco nero, mostrando che il modo in cui ruota è un forte indicatore della sua appartenenza a un gruppo di buchi neri di alta massa, che si formano in ammassi stellari densamente popolati dove piccoli buchi neri si scontrano e si fondono ripetutamente tra loro,” ha detto in una dichiarazione Isobel Romero-Shaw, membro del team e ricercatrice dell’Università di Cambridge. Alberi genealogici dei buchi neri L’ascendenza dei buchi neri è diventata una questione curiosa per gli scienziati quando hanno scoperto che alcuni buchi neri sono semplicemente troppo massicci per essere stati generati nel modo usuale: tramite una stella morente. I buchi neri di massa stellare con masse comprese tra 10 e 100 volte quella del sole nascono quando stelle molto più massicce del sole esauriscono il carburante necessario per la fusione nucleare nei loro nuclei. Successivamente, queste stelle collassano sotto l’influenza della propria gravità. I buchi neri supermassicci, tuttavia, hanno masse equivalenti a milioni o addirittura miliardi di soli. Nessuna singola stella può collassare per formare un buco nero così massiccio, portando alla teoria che si formino da fusioni di buchi neri più piccoli. La prima rilevazione di onde gravitazionali da buchi neri in fusione è stata effettuata da LIGO e Virgo nel 2015, 100 anni dopo che Einstein le aveva previste nella sua teoria della gravità, nota come relatività generale. Questo e la ricchezza di fusioni “udite” da queste strutture da allora hanno aiutato a confermare questa teoria della “crescita per fusione”. La relatività generale prevede che oggetti con massa causino la “deformazione” del tessuto dello spazio e del tempo, o spaziotempo. La gravità nasce da questa deformazione. Einstein ha anche previsto che quando gli oggetti accelerano nello spaziotempo, questo causa increspature che si irradiano verso l’esterno alla velocità della luce. Tuttavia, queste cosiddette onde gravitazionali sono rilevabili solo quando gli oggetti coinvolti sono veramente massicci — e i buchi neri soddisfano questo requisito. La fusione di buchi neri è intrinsecamente legata all’emissione di onde gravitazionali. Una volta che i buchi neri sono abbastanza vicini da formare un sistema binario mentre ruotano l’uno intorno all’altro, questa accelerazione costante (l’accelerazione è un cambiamento di velocità e direzione, quindi il moto circolare rappresenta un’accelerazione perpetua) fa risuonare il tessuto dello spaziotempo con onde gravitazionali. Mentre questi sistemi binari emettono onde gravitazionali, quelle increspature nello spaziotempo portano via il momento angolare. Questo fa sì che il sistema binario si stringa. In altre parole, i buchi neri si avvicinano sempre di più. Questo continua fino a quando la gravità reciproca di questi buchi neri prende il sopravvento e sono costretti a fondersi. Questa fusione crea un buco nero figlio che è più massiccio dei suoi genitori, ma non del tutto pari alla somma delle loro masse a causa di una perdita di massa in un “urlo” ad alta frequenza di onde gravitazionali. “Man mano che osserviamo più fusioni di buchi neri con rilevatori di onde gravitazionali come LIGO e Virgo, diventa sempre più chiaro che i buchi neri mostrano masse e spin diversi, suggerendo che potrebbero essersi formati in modi diversi,” ha detto il leader del team Fabio Antonini della School of Physics and Astronomy dell’Università di Cardiff. “Tuttavia, identificare quale di questi scenari di formazione è più comune è stato impegnativo.” Per svelare questo mistero, il team ha esaminato i dati riguardanti 69 eventi di onde gravitazionali rilevati da LIGO e Virgo. Quello che hanno trovato è che lo spin di un buco nero cambia quando quel buco nero raggiunge una certa massa. Questo rappresenta una chiara soglia di massa alla quale lo spin dei buchi neri cambia costantemente. Il modello scoperto dal team corrisponde a modelli che suggeriscono che i buchi neri crescono attraverso collisioni ripetute in ammassi stellari densamente popolati. Utilizzando i risultati, gli scienziati possono ora affinare le tecniche di modellazione al computer utilizzate per simulare la formazione e la crescita dei buchi neri. Quando futuri segnali di onde gravitazionali saranno rilevati da strutture come LIGO, Virgo, il proposto osservatorio sotterraneo di onde gravitazionali noto come Einstein Telescope e il futuro rilevatore di onde gravitazionali spaziale LISA (Laser Interferometer Space Antenna), tali modelli raffinati possono essere utilizzati per interpretare meglio questi segnali. “Collaborare con altri ricercatori e utilizzare metodi statistici avanzati aiuterà a confermare e ampliare i nostri risultati, specialmente mentre ci avviciniamo ai rilevatori di nuova generazione,” ha detto il membro del team e ricercatore dell’Università di Chicago Thomas Callister. “L’Einstein Telescope, ad esempio, potrebbe rilevare buchi neri ancora più massicci e fornire intuizioni senza precedenti sulle loro origini.” La ricerca del team è stata pubblicata martedì (7 gennaio) sulla rivista Physical Review Letters.
Le onde gravitazionali offrono un ‘test del DNA cosmico’ per i buchi neri
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