Individuati due buchi neri supermassicci pronti a scontrarsi

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La scoperta fa ben sperare sia per la ricerca del rumore di fondo delle onde gravitazionali, sia per la loro osservazione per mezzo dei Pulsar Timing Arrays

di Francesco La Teana

http://www.nationalgeographic.it/scienza/spazio/2019/07/17/news/ind...

Una riproduzione artistica di un buco nero supermassivo con massa centinaia di volte superiore a quella del Sole. Illustrazione per gentile concessione Caltech/NASA

Due buchi neri, ognuno dei quali dalla massa equivalente a circa 800 milioni di masse solari, si stanno avvicinando l'uno all'altro, attratti dalla forza gravitazionale, e sono separati tra di loro da una distanza di circa 430 parsec (più o meno 1.400 anni luce). La loro distanza dalla Terra è invece di circa 2,5 miliardi di anni luce.

Un team di ricercatori guidato da Andy D. Goulding dell'Università di Princeton li ha individuati con il telescopio spaziale Hubble grazie al fatto di essere circondati da jet di gas caldi e da stelle molto luminose; li ha quindi analizzati, arrivando a stabilire che si tratta di due oggetti con nuclei separati, come riferito in un articolo pubblicato recentemente su Astrophisical Journal Letters.

È facile comprendere che, man mano che la loro distanza diminuisce, la loro interazione gravitazionale aumenta e ciò produrrà delle onde gravitazionali che si propagheranno nello spazio-tempo e potranno essere rilevate. Dobbiamo però sgombrare subito il campo dall'idea che dalla Terra saremo in grado di assistere a questo scontro e studiarlo. Gli autori della scoperta hanno stimato infatti che il tempo mancante 

perché siano prodotte onde gravitazionali potenti è di circa 2,5 miliardi di anni.

Da simili avvistamenti gli autori si aspettano piuttosto di poter realizzare innanzitutto una prima stima del numero di coppie di buchi neri e di galassie che si stanno scontrando (secondo alcune stime ottimistiche ve ne sarebbero almeno 112). Ma gli obiettivi ultimi della loro ricerca sono altri e per comprenderli è necessario avere presenti quelle che sono le teorie attualmente più accreditate sullo studio delle onde gravitazionali.

Nell'universo capita spesso che le galassie si scontrino e si fondano insieme. Poiché è ormai accettato che ogni galassia possiede al proprio centro un buco nero supermassiccio, anche i buchi neri ospitati dalle galassie si scontreranno.

Nel modello più semplificato i due buchi neri si fondono insieme generando le onde gravitazionali più potenti dell'universo. Poiché si presume che i processi di fusione siano molto diffusi, l'insieme delle fusioni dei buchi neri supermassicci, assieme naturalmente a tutti gli altri eventi di fusioni e di esplosioni, genera un rumore di fondo di onde gravitazionali detto stocastico perché determinato da eventi casuali. Questo rumore di fondo è analogo alla radiazione cosmica di fondo a microonde di natura elettromagnetica, residuata dal big bang.

Secondo il parere di Goulding, gli scontri tra "i buchi neri binari supermassicci con masse comprese tra 100 milioni e un miliardo di masse solari, sono gli elementi dominanti del rumore di fondo gravitazionale, che ancora non è stato osservato". Quindi, gli scontri tra buchi neri binari supermassicci sono i principali responsabili della presenza del rumore di fondo gravitazionale ancora da scoprire.

In un altro modello, invece, i due buchi neri non arrivano a fondersi perché, alla distanza di circa un parsec l'uno dall'altro (noto come 'problema dell'ultimo parsec'), trovano un equilibrio dinamico stabile e iniziano a ruotare l'uno intorno all'altro, con una stabilità talmente consistente che la loro fusione si potrebbe verificare solo dopo un tempo superiore a diverse volte l'età dell'universo. In tal caso l'emissione di onde gravitazionali da parte del sistema sarebbe molto inferiore del primo caso e non si avrebbe un rumore di fondo gravitazionale, o comunque questo avrebbe un'entità molto più bassa.

Entrambi i ragionamenti sono collegati alla possibilità di poter osservare le onde gravitazionali utilizzando metodi nuovi messi a punto negli ultimi anni.

Le onde gravitazionali sono molto difficili da osservare. Il metodo utilizzato ad esempio da LIGO si basa sulla costruzione di un interferometro avente due tubi a vuoto del diametro di 1,2 metri e della lunghezza di 4 chilometri, mantenuti ad una pressione di circa un miliardesimo di millibar, senza contare tutti gli altri accorgimenti necessari per evitare le minime interferenze esterne. Il problema fondamentale è che le onde gravitazionali sono diverse da tutte le altre onde a cui siamo abituati e i sistemi messi a punto finora per captarle devono essere necessariamente molto avanzati dal punto di vista tecnologico.

La lunghezza delle onde, ad esempio, non è nell'ordine di grandezza dei millimetri o metri, ma si tratta di anni luce e gli effetti delle onde sulla materia sono quasi inesistenti, considerando che la attraversano senza quasi interagire. È evidente quindi che la rilevazione di tali onde, oltre alla necessità delle tecnologie avanzatissime, ha bisogno anche di colpi di genio che permettano di utilizzare differentemente ciò che si ha a disposizione.

È questo il caso del sistema messo a punto recentemente, denominato Pulsar Timing Array (PTA). Si tratta di un sistema simile al GPS, con cui, per mezzo di una serie di satelliti artificiali in orbita intorno alla Terra, si può misurare con estrema precisione lo spostamento di un'auto sulla superficie terrestre.



Nel caso del PTA si utilizzano alcune pulsar, stelle rotanti con velocità e precisione elevatissime, per mezzo delle quali si possono misurare gli impercettibili spostamenti della Terra nello spazio, arrivando ad evidenziare eventuali distorsioni dovute al passaggio di onde gravitazionali. Infatti il passaggio delle onde distorce lo spazio-tempo e di conseguenza distorce sia lo spazio attraversato dal segnale proveniente dalle pulsar, sia il suo tempo di arrivo a noi. Da questa distorsione si può determinare la presenza e l'entità dell'onda. Le frequenze rilevabili con questo metodo arrivano all'incirca a cento milionesimi di hertz, pari a una lunghezza d'onda di un anno luce, quindi molto più lunghe di quelle rilevabili dall'interferometro LIGO.

Con questi nuovi metodi si può cominciare a capire se i buchi neri si fondono, nel qual caso si dovrebbero rilevare nuove onde e il rumore di fondo gravitazionale stocastico. Secondo Goulding, quest'ultimo evento dovrebbe avvenire nel giro dei prossimi cinque anni. Se invece i buchi restano coppie bloccate e non si fondono, allora sarà molto difficile rilevare il rumore di fondo.

(17 luglio 2019)