Simulazione di una fusione di due buchi neri con masse asimmetriche e precessione orbitale (Gw 190412). Crediti: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, Max Planck Institute for Gravitational Physics, Simulating eXtreme Spacetimes
Un orecchio allenato sa riconoscere timbri e voci in un concerto d’orchestra. Il bravo direttore individua ogni singolo elemento. E così fa il buon fisico quando ascolta la sinfonia delle stelle.
La scoperta delle onde gravitazionali ormai fa parte del lavoro quotidiano dei ricercatori. Ma il segnale ricevuto da Gw 190412 è risultato fin da subito unico nel suo genere. Si tratta della fusione di una coppia di buchi neri con masse differenti in modo significativo: circa 8 e 30 volte quella del nostro Sole. La prima mai rilevata.
Un unicum che non solo ha permesso misurazioni più precise delle proprietà astrofisiche del sistema, ma ha anche consentito agli scienziati di Ligo e Virgo di verificare una previsione finora non confermata della teoria della relatività generale di Einstein, che ipotizza l’esistenza di onde gravitazionali di un’armonica superiore (a due o tre volte la frequenza fondamentale osservata finora).
Gw 190412 è stato osservato da entrambi i rilevatori Ligo e dal rivelatore Virgo il 12 aprile 2019, all’inizio del terzo ciclo di osservazione dei rivelatori. Le analisi rivelano che la fusione dei due buchi neri al suo interno è avvenuta a una distanza compresa tra 1,9 e 2,9 miliardi di anni luce dalla Terra.
Media Inaf ha raggiunto Alessandra Buonanno, ricercatrice italiana che lavora nel campo della fisica delle onde gravitazionali e della cosmologia. La ricerca, già disponibile in rete in attesa di essere pubblicata, porta anche la sua firma. Dal 2014 Buonanno è direttrice del dipartimento di Astrofisica e relatività cosmologica del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Potsdam, in Germania.
Alessandra Buonanno, direttrice del Max Planck Institute for Gravitational Physics. Foto di Tony Rinaldo. Fonte: www.radcliffe.harvard.edu
Perché Gw 190412 è così speciale?
«Stiamo cercando di capire i meccanismi che portano alla formazione di sistemi binari di buchi neri. L’astrofisica oggi ha più di una risposta a questa domanda. Mettiamola così: abbiamo diversi scenari che possono essere distinti in base a cosa predicono in termini di distribuzione delle masse e di rotazione intrinseca in una coppia di buchi neri. Un sistema binario di questo tipo potrebbe aver origine all’interno di ammassi globulari per cattura dinamica dei buchi neri. O forse potrebbe essere il risultato di un sistema binario inizialmente composto da stelle che esplodono in supernova formando due buchi neri».
Perché era importante per la comunità dei fisici “vedere” un’onda gravitazionale provocata dalla fusione di due buchi neri di massa così differente?
«Più il sistema binario è asimmetrico, in termini di massa e spin dei buchi neri, più siamo in grado di misurarne le proprietà astrofisiche. È l’asimmetria a permetterci di conoscere i parametri di massa e rotazione. Quanto maggiore è la diversità, tanto più ricco è lo spettro della radiazione gravitazionale. Funziona un po’ come in musica: solo in questo modo possiamo estrarre gli armonici dall’accordo di dominante».
In che senso?
«Più un sistema binario di buchi neri è asimmetrico, più toni o armoniche può produrre. Quando due buchi neri hanno la stessa massa e la stessa rotazione, abbiamo un sistema semplice capace di produrre solo un’armonica dominante. Quando le masse o gli spin dei buchi neri sono diversi, o il sistema non si muove su un’orbita circolare ma su un’ellittica, lo spettro della radiazione emessa è più ricco. Pensate a una coppia di strumenti musicali, alla musica prodotta da una coppia di violini, con timbro e voce sovrapponibili. E poi all’intrigante duetto di due strumenti diversi».
Ancora una volta c’è di mezzo Einstein. Gw 190412 è stato utilizzato per cercare deviazioni dei segnali da ciò che la teoria della relatività generale prevede. La vostra ricerca cosa dice a proposito?
«Tutti i test che abbiamo fatto finora non hanno rilevato deviazioni significati alla teoria di Einstein. E in un regime che non era stato esplorato prima».
La rete internazionale di interferometri per onde gravitazionali si è rivelata fondamentale in questo genere di ricerca. Perché?
«Poter fare affidamento su una rete di rivelatori (e in particolare su tre strumenti anziché due) ci permette di localizzare in modo più preciso il luogo del cielo da cui proviene il segnale. Questo è fondamentale specie quando il segnale viene emesso in concomitanza con la controparte elettromagnetica. Solo così possiamo puntare i telescopi e osservarla, come è accaduto per il sistema binario di stelle di neutroni Gw 170817».
Per saperne di più:
- Leggi il draft dell’articolo “GW190412: Observation of a Binary-Black-Hole Coalescence with Asymmetric Masses” della LIGO Scientific Collaboration e della Virgo Collaboration