Per chi suona il buco nero. Quel “rintocco” gravitazionale che ci svela l’identikit dei mostri cosmici


QUANDO un buco nero inizia a vibrare, possiamo “sentirlo” anche a miliardi di anni luce di distanza. Non percepiamo naturalmente alcun suono, ma possiamo captare le onde gravitazionali prodotte da quei mostri cosmici e tracciarne l’identikit. Lo sostiene un gruppo di ricerca americano, che in un nuovo lavoro ha studiato le onde gravitazionali prodotte in seguito alla fusione di due buchi neri. Gli scienziati si sono concentrati sul buco nero risultante dalla fusione, che vibra per alcuni istanti emettendo un pacchetto di onde gravitazionali. Studiando questa “coda” di onde gravitazionali è possibile ricostruire le proprietà del buco nero, come massa e velocità di rotazione. I ricercatori hanno sviluppato un metodo, descritto su un articolo in pubblicazione su Physical Review X, che consente di evidenziare i diversi modi di oscillazione di questi buchi neri neonati. Questa tecnica di analisi è stata poi applicata al primo segnale di onde gravitazionali, captato il 14 settembre 2015 dai rivelatori gemelli del progetto Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti. I risultati dello studio, descritti su Physical Review Letters, mettono in evidenza i modi di oscillazione del nuovo buco nero, suggerendo un’ulteriore conferma della teoria della relatività e del teorema dell’essenzialità, fondamentali per descrivere le proprietà di questi misteriosi oggetti.

Campane nello spazio

In base ai dati in nostro possesso, gli scontri fra i buchi neri sono le principali sorgenti di onde gravitazionali. Queste onde, previste da Einstein oltre un secolo fa, sono state osservate per la prima volta il 14 settembre 2015 dai rivelatori LIGO e da allora hanno cambiato il nostro modo di studiare il cosmo. Queste perturbazioni nel tessuto dello spaziotempo si propagano alla velocità della luce e che hanno infatti origine da fenomeni violenti ancora in parte sconosciuti, come lo scontro e fusione fra buchi neri.


Per chi suona il buco nero. Quel "rintocco" gravitazionale che ci svela l'identikit dei mostri cosmici

Un’immagine artistica dello scontro fra due buchi neri, che produce onde gravitazionali (LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Finora la rete di rivelatori di onde gravitazionali formata da LIGO e da Virgo, situato in provincia di Pisa, ha captato una trentina di segnali prodotti dallo scontro di buchi neri o stelle di neutroni. Poco prima della fusione vengono prodotte onde sempre più intense, fino a quando i due oggetti si fondono in un unico corpo celeste, solitamente un nuovo buco nero. “Il nuovo buco nero si forma da un processo astrofisico violento e quindi è in uno stato altamente perturbato” spiega Maximiliano Isi del Massachusetts Institute of Technology, primo autore dello studio su Physical Review Letters, “e quindi si libera dell’energia in eccesso sotto forma di onde gravitazionali”.
Questa fase di “assestamento” del buco nero si chiama ringdown. In un certo senso, si tratta di un fenomeno analogo a quando sentiamo suonare delle campane. A ogni rintocco le campane vibrano e trasmettono queste vibrazioni all’aria, che noi percepiamo come suono che sia attenua man mano che le vibrazioni delle campane perdono intensità. In questo caso stiamo parlando di onde sonore che si muovono nell’aria, mentre il buco nero produce onde gravitazionali che fanno vibrare lo spaziotempo.

Tutte le note dei buchi neri

Se analizziamo il suono delle campane con degli appositi strumenti, scopriamo che esso è composto da una serie di frequenze sonore diverse, un po’ come quando suoniamo un accordo sulla chitarra o al pianoforte. Studiando la fase di ringdown dell’evento del 14 settembre 2015, Isi e colleghi sono riusciti a determinare i modi di oscillazione, cioè le “note” del buco nero neonato, ricostruendo così un quadro più completo e ricco del comportamento di questi corpi celesti rispetto a quanto determinato dalle collaborazioni LIGO e Virgo e altri gruppi indipendenti. “Prima era come cercare di riprodurre il suono di un accordo di chitarra usando una sola corda”, suggerisce Matthew Giesler, primo autore del lavoro su Physical Review X.
Il risultato si inserisce in un filone di ricerca che vede impegnati molti gruppi in tutto il mondo, Italia compresa. “Il lavoro é un importante passo per capire come un buco nero formatosi in un evento violento raggiunga uno stato stazionario” ha commentato Walter Del Pozzo dell’Università di Pisa, il cui gruppo si occupa di studiare i ringdown, “se confermata, la loro ricerca aiuterà a capire se i buchi neri si comportano come ci si aspetta dalla relatività generale”.
L’importanza di ricostruire i modi di oscillazione dei buchi neri è infatti legata solo alla possibilità di misurare le proprietà fisiche del buco nero appena formato, mettendo anche alla prova il cosiddetto teorema dell’essenzialità, che in inglese è chiamato teorema no hair, cioè “senza capelli”. Dal momento che però non ne esiste ancora una dimostrazione matematica rigorosa, per la precisione si parla anche di congettura invece che di teorema.
L’idea di base è che un buco nero sia caratterizzato unicamente dalla massa, velocità di rotazione e carica elettrica, che per i buchi neri astrofisici dovrebbe essere praticamente nulla. Le altre proprietà accessorie, metaforicamente definite “capelli”, sono distrutte nella formazione di un buco nero. Studiando i modi di oscillazione è quindi anche possibile mettere alla prova la teoria della relatività generale, che al momento è la migliore che abbiamo a disposizione per descrivere la gravità. La relatività non tiene però conto dei fenomeni legati alla meccanica quantistica. Finora la teoria di Einstein ha superato tutti i test, ma studiando i buchi neri, dove i campi gravitazionali raggiungono valori altissimi, potremo forse evidenziarne i limiti. Gli indizi per scoprire nuove leggi della fisica sono forse proprio lì, nascoste fra le note silenziose dei buchi neri.



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