Simulazione della fusione di due buchi neri osservata da Ligo, conosciuta come Gw150914. Crediti: Sxs, the Simulating eXtreme Spacetimes (Sxs) project
Quando due buchi neri si scontrano, si fondono in un buco nero più grande e suonano come rintocchi di una campana, generando increspature nello spazio e nel tempo chiamate onde gravitazionali. In queste onde gravitazionali sono incorporate frequenze o suoni specifici, simili alle singole note di un accordo musicale. Ora, per la prima volta, i ricercatori hanno rilevato due di questi suoni nel ringdown di un buco nero appena formato.
In precedenza, si supponeva che potesse essere misurato un solo suono e che suoni aggiuntivi, chiamati suoni armonici (suoni con frequenza multipla di quella della nota di partenza) o ipertoni, fossero troppo deboli per essere rilevati con le attuali tecnologie. «Prima, era come se stessimo provando a ricostruire il suono di un accordo di una chitarra usando una sola corda», afferma Matthew Giesler, secondo autore dello studio pubblicato il 12 settembre su Physical Review Letters e primo autore di un articolo ad esso correlato, sottomesso alla rivista Physical Review X, sulla tecnica utilizzata per trovare tali sfumature.
I risultati, basati su dati rianalizzanti acquisiti da Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) della National Science Foundation, hanno sottoposto la teoria della relatività generale di Albert Einstein a un nuovo tipo di test. Poiché la fusione dei buchi neri implica una gravità mostruosa, gli studi di questi eventi consentono di testare la teoria della relatività generale in condizioni estreme. In questo caso particolare, i ricercatori hanno testato una previsione specifica della teoria: che i buchi neri possono essere completamente descritti solo dalla loro massa e velocità di rotazione. E, ancora una volta, Einstein ha superato la prova.
«Questo tipo di test era stato proposto molto prima del primo rilevamento, ma tutti si aspettavano che si sarebbero dovuti aspettare molti anni prima che i rivelatori fossero abbastanza sensibili», afferma Saul Teukolsky, professore di astrofisica teorica al Caltech e alla Cornell University. «Questo risultato dimostra che possiamo iniziare a eseguire il test già con gli attuali rilevatori includendo gli ipertoni: un risultato inaspettato ed eccitante».
Nel 2015 Ligo ha fatto la storia, effettuando il primo rilevamento diretto, in assoluto, delle onde gravitazionali, 100 anni dopo che Einstein le aveva predette per la prima volta. Da allora, Ligo e Virgo (quest’ultimo in Europa), hanno rilevato quasi 30 eventi di onde gravitazionali, che sono stati ulteriormente analizzati in questi anni. Molte di queste onde gravitazionali si sono generate dallo scontro di due buchi neri.
«Un nuovo buco nero si forma da un violento processo astrofisico e quindi si trova in uno stato agitato», spiega Maximiliano Isi del Mit, primo autore dell’articolo. «Tuttavia, perde rapidamente questa energia in eccesso sotto forma di onde gravitazionali».
Giesler iniziò a studiare gli ipertoni nell’ambito della sua tesi di laurea, e in particolare se potessero essere rilevati negli attuali dati relativi alle onde gravitazionali, oltre al segnale o suono principale, anche se la maggior parte degli scienziati riteneva che questi ipertoni fossero troppo deboli per essere rilevati. In particolare, ha esaminato le simulazioni del primo rilevamento di onde gravitazionali da parte di Ligo, da un evento di fusione del buco nero noto come Gw 150914. Durante la fase finale della fusione, un periodo di tempo noto come ringdown, il buco nero appena formatosi sta ancora tremando. Giesler ha scoperto che gli ipertoni, che sono forti ma di breve durata, sono presenti in una fase precedente al ringdown.
«Si tratta di un risultato molto sorprendente. L’opinione diffusa era che dal momento in cui il buco nero si fosse stabilizzato in modo da poter rilevare eventuali suoni, gli ipertoni sarebbero scomparsi quasi completamente», spiega Teukolsky. «Invece, si è scoperto che gli ipertoni sono rilevabili prima che il suono principale diventi visibile».
Le nuove armoniche hanno permesso ai ricercatori di testare il teorema dell’essenzialità (no hair theorem o, letteralmente, “senza capelli”) per i buchi neri, che afferma che un buco nero è completamente caratterizzato da massa e momento angolare. Di fatto i nuovi risultati confermano che i buchi neri “non hanno capelli”, ma gli scienziati sospettano che futuri test della teoria, in cui verranno utilizzate osservazioni ancora più dettagliate per sondare le fusioni dei buchi neri, potrebbero mostrare il contrario.
«La teoria di Einstein potrebbe non funzionare se ci fossero effetti quantistici in gioco», afferma Giesler. «La teoria della gravità di Newton supera molti test in cui la gravità è debole, ma fallisce completamente quando si tratta di descrivere la gravità nella sua forma più estrema, come quando prova a descrivere la fusione dei buchi neri. Allo stesso modo, quando alla fine sondiamo il segnale dai buchi neri con una precisione sempre maggiore, è possibile che anche la relatività generale possa fallire».
Nei prossimi anni, gli aggiornamenti pianificati a Ligo e Virgo renderanno gli osservatori ancora più sensibili alle onde gravitazionali, rivelando ulteriori toni nascosti. «Più è grande e forte un evento, più è probabile che Ligo riesca a raccogliere questi suoni armonici», afferma Alan Weinstein, professore di fisica presso il Caltech e membro del consorzio Ligo. «Con il primo rilevamento di onde gravitazionali da parte di Ligo, abbiamo confermato le previsioni fatte dalla relatività generale. Adesso, cercando i suoni armonici e persino i segnali più deboli chiamati modi di ordine superiore, stiamo facendo test più approfonditi della teoria e cercando potenziali evidenze del fallimento della teoria stessa».
«A poco a poco», conclude Isi, «i buchi neri sveleranno i loro misteri, rivoluzionando la nostra comprensione della gravità, dello spazio e del tempo».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Testing the no-hair theorem with GW150914” di Maximiliano Isi, Matthew Giesler, Will M. Farr, Mark A. Scheel e Saul A. Teukolsky
- Leggi su Physical Review X l’articolo “Black hole ringdown: the importance of overtones” di Matthew Giesler, Maximiliano Isi, Mark Scheel e Saul Teukolsky