Le onde gravitazionali hanno fatto scoprire buchi neri mai visti!

Hanno una massa 30 volte più grande quella del Sole. Secondo gli scienziati questa terza rilevazione potrà apportare interessanti conoscenze nello studio del fenomeno
di Folco Claudi
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I due interferometri statunitensi di LIGO hanno rilevato sottili increspature nel tessuto dello spazio-tempo prodotte dalla fusione di due buchi neri distanti da noi circa tre miliardi di anni luce. È la terza rivelazione delle onde gravitazionali da quella prima storica di settembre 2015

Non c’è due senza tre. Si è fatta attendere più di un anno, ma alla fine è arrivata la tanto attesa nuova rivelazione di onde gravitazionali a opera dei due interferometri statunitensi di LIGO, il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, che a settembre 2015 aveva dato la prima conferma sperimentale dell’esistenza di increspature nel tessuto dello spazio-tempo, un fenomeno previsto per via teorica poco più di un secolo fa da Albert Einstein.

Molti dettagli della nuova rilevazione, avvenuta il 4 gennaio 2017, indicata dalla sigla GW170104 e descritta sulla rivista “Physical Review Letters”, sono stati resi noti da David Shoemaker, portavoce della LIGO Scientific Collaboration (LSC), che coinvolge 1000 ricercatori di tutto il mondo, impegnata nella ricerca delle onde gravitazionali insieme con la collaborazione VIRGO, dall’omonimo interferometro costruito in provincia di Pisa, che fa capo allo European Gravitational Observatory (EGO), fondato dall’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese.

Illustrazione di due buchi neri in fase di collisione, (Cortesia LSC)

La sorgente delle onde gravitazionali, in questa come nelle prime due rilevazioni, è la fusione di due buchi neri, che ha dato vita a un oggetto dello stesso tipo ma di massa leggermente inferiore rispetto alla somma delle due masse di partenza: questa differenza viene convertita nell’energia delle onde gravitazionali. Si calcola che il buco nero prodotto nell’evento GW170104 avesse una massa 49 volte maggiore di quella del Sole; si tratta di un valore quindi intermedio tra la massa del buco nero finale della prima rivelazione di LIGO, pari a 62 masse solari, e la massa finale del secondo evento rilevato,

pari a 21 masse solari. Questa volta però la distanza della sorgente è da primato: circa 3 miliardi di anni luce, contro gli 1,3 e 1,4 miliardi di anni luce dei primi due eventi, rispettivamente.

Si consolida così una pratica sperimentale in campo astronomico e astrofisico che fino a pochi anni fa sembrava quasi fantascienza. Non si tratta solo di un fondamentale punto di arrivo, ma anche, soprattutto dell’inizio di un campo di studi inesplorato: l’astronomia a onde gravitazionali. Le nuove misurazioni hanno infatti dato ulteriore conferma della presenza nell’universo di buchi neri con massa maggiore di 20 masse solari, di cui non si conosceva l’esistenza prima dei successi di LIGO, che è costituito da due interferometri gemelli, uno situato a Hanford, nello Stato di Washington, e l’altro a Livingston, in Louisiana.

La rilevazione di GW170104 fornisce anche nuovi indizi sulla dinamica dei sistemi di buchi neri binari che vanno incontro a una fusione. Quest’ultima è l’esito di un movimento di rotazione di un buco nero attorno all’altro, per la precisione, i due oggetti orbitano attorno a un centro comune nello spazio, chiamato centro di massa. Ciascuno dei buchi neri inoltre ha un moto di spin, cioè una rotazione su se stesso, che può essere nello stesso verso della rotazione del compagno, nel qual caso di parla di spin allineati, o nel verso opposto. Infine, ciascun asse di spin può essere inclinato rispetto all’asse della rotazione orbitale, che passa per il centro di massa. A questo riguardo, la nuova osservazione di LIGO implica che almeno uno dei due spin è effettivamente inclinato.

Veduta aerea dell’impianto LIGO di Livingston, in Louisiana. (Credit: Caltech)

Questo dato è importante per capire il processo di formazione del sistema binario di buchi neri, per il quale si contrappongono due modelli. Nel primo, quando ciascuna stella di un sistema binario esplode, forma un buco nero. Nel caso di GW170104, poiché gli spin originari delle due stelle erano allineati tra loro, lo sono anche quelli dei buchi neri. Nel secondo modello, i buchi neri si avvicinano e formano un sistema binario all’interno di ammassi stellari molto “affollati” dopo che entrambi si sono spostati verso il centro dell’ammasso. In questo scenario, gli spin dei buchi neri possono essere orientati in direzioni arbitrarie.

“Questa è la prima volta che abbiamo le prove che i buchi neri possono non essere allineati, ed è un indizio, per quanto debole, che i buchi neri binari possono formarsi in ammassi stellari densi”, ha spiegato Bangalore Sathyaprakash, che fa parte della collaborazione LSC.

Il secondo risultato di rilievo della nuova rilevazione è legato alla possibilità di mettere alla prova la teoria generale della relatività di Einstein. L’esistenza delle onde gravitazionali è un’ennesima conferma sperimentale di una delle sue previsioni più importanti: l’idea di uno spazio-tempo che viene deformato dalle masse, come un lenzuolo su un letto verrebbe deformato da una palla da biliardo posata su di esso. Inoltre, qualunque massa in movimento, in linea teorica, produce una perturbazione che percorre lo spazio-tempo come l’increspatura di un’onda del mare. Ma solo per eventi estremi, che coinvolgono masse molto grandi, come per esempio i buchi neri, si può sperare che la perturbazione sia misurabile dalla Terra.

L’interferometro europeo VIRGO, costruito nel comune di Cascina, vicino a Pisa. (Creative Commons CC0)

Il problema ora è: lo spazio-tempo è assimilabile a un mezzo dispersivo, si comporta cioè come il vetro di un prisma che diffonde a diversi angoli le differenti lunghezze d’onda della luce? Secondo la teoria di Einstein no. E neppure secondo i dati raccolti da LIGO con quest’ultima rivelazione.

Appena il tempo di brindare a questo nuovo successo di LIGO ed è già ora di guardare avanti. Si attende ora che venga completato il commissioning di VIRGO, in modo da poter effettuare osservazioni congiunte, con una sensibilità mai vista prima. E guardando ancora più avanti, che siano implementati gli aggiornamenti tecnici di LIGO. Con questo apparato, i ricercatori della collaborazione sperano di poter osservare un giorno non troppo lontano il segnale di una violenta collisione di due stelle di neutroni.

“Le collaborazioni scientifiche LIGO e VIRGO hanno svolto un lavoro enorme per analizzare i dati raccolti dagli strumenti che hanno portato a questa terza, emozionante, scoperta”, ha sottolineato Gianluca Gemme, responsabile nazionale INFN di VIRGO. “Ora tutta la collaborazione VIRGO sta lavorando con grande intensità per portare il proprio rivelatore a unirsi ai LIGO nell’osservazione di nuovi eventi, migliorando così la capacità di puntamento della rete di interferometri e aprendo la strada all’astronomia multimessaggero”.