Il 12 Aprile del 2019 è stata rivelata un’onda gravitazionale che è risultata essere una delle più interessanti mai “osservate”. L’analisi del segnale di questo evento, nome tecnico GW190412, ha determinato la sua origine nella fusione di due buchi neri: e fin qui niente di strano. Le loro masse, però, risultano essere state molto diverse, da cui il nome più amichevole “Davide e Golia”. E non solo. Il buco nero finale rimasto dopo la fusione sembrerebbe avere uno spin, cioè sembrerebbe ruotare e in modo del tutto inaspettato. Tutte queste caratteristiche non sono facilmente predicibili dalle teorie sviluppate fin ora, basate su tutti gli altri eventi gravitazionali rivelati.

Per questo motivo, pochi giorni fa è stato pubblicato su Physical Review Letter uno studio in cui si cerca di trovare una spiegazione scientifica per questo evento. I risultati sembrano indicare che il buco nero più massiccio, Golia per gli amici, abbia avuto origine da una fusione precedente e che sia, quindi, un buco nero di seconda generazione. Gli autori dello studio, Davide Gerosa (Univ. di Birmingham), Salvatore Vitale (Assistant Professor di Fisica al MIT) ed Emanuele Berti (John Hopkins Univ.), affermano che:

È stato qualcosa che non ci aspettavamo ma niente accade una sola volta nell’universo. E qualcosa come questo, per quanto raro, avverrà nuovamente e ci permetterà di capire meglio l’universo.

Ma andiamo con ordine.

Perturbazioni piccolissime

Il 14 settembre del 2015 è iniziata una nuova era per l’astrofisica: è stata rivelata la prima onda gravitazionale, originata dall’evento GW150914. Le onde gravitazionali sono delle perturbazioni dello spazio-tempo dovute ad eventi di grande entità, come la fusione di due stelle di neutroni o di due buchi neri. Einstein le aveva teorizzate già prima del 1920 ma a causa dell’ampiezza infinitesimale del segnale (immaginandolo come un’onda, pensate a delle creste ampie circa 10^-22 metri), abbiamo dovuto aspettare di avere la tecnologia adatta per riuscire ad amplificarlo e a studiarlo.

Questa tecnologia è stata finalmente raggiunta con gli osservatori LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) e VIRGO. Il primo, statunitense, è costituito da due interferometri, uno a Livingston in Lousiana, e l’altro a Hanford, nello Stato di Washington. Il secondo è una collaborazione internazionale con forte contributo italiano, e ha un unico interferometro a Cascina, in provincia di Pisa. Dopo quel primo evento del 2015, LIGO e VIRGO hanno rivelato moltissime altre onde gravitazionali permettendoci di scoprire nuovi aspetti del nostro universo.

L’ evento GW190412

Tra tutti questi eventi, lo scontro tra Davide e Golia è stato il primo rivelato durante il terzo “run” osservativo di LIGO e VIRGO (O3) e si è da subito mostrato diverso da tutti gli altri rivelati nei precedenti O1 e O2. L’analisi del segnale rivelato in corrispondenza di tutte le altre onde gravitazionali infatti, ha sempre indicato che gli oggetti protagonisti della fusione presentano masse molto simili (rapporto delle masse q< 2) e che l’oggetto finale non ha spin, cioè non ruota. GW190412 risulta invece avere origine dalla fusione di due buchi neri con un rapporto di massa q di circa 0.3. Questo vuol dire che uno dei due buchi neri (Golia) aveva una massa tre volte maggiore dell’altro (Davide). Il buco nero rimanente inoltre, ruota e ruota con un asse di rotazione inclinato in modi inaspettati.

Queste caratteristiche non sono facilmente comprensibili all’interno dalla teoria sviluppata in questi anni studiando gli eventi precedenti, e potrebbero implicare un processo di formazione diverso da quelli standard. Fin ora si è ricostruito che la fusione di due buchi neri possa avere origine in due modi diversi:

• Processo di inviluppo comune (Common Envelope Process): due stelle vicine, dopo miliardi di anni, esplodono in due buchi neri che condividono un unico disco di accrescimento. Dopo ulteriori miliardi di anni, i due buchi neri non riescono più a contrastare la rispettiva attrazione gravitazionale, iniziano a spiraleggiare, e si fondono, emettendo un’onda gravitazionale;
• Interazioni dinamiche (Dynamical Interactions): in alcune regioni dello spazio, sono presenti veri e propri addensamenti di buchi neri. Essendo in numero così elevato in una regione “piccola”, questi oggetti interagiscono spesso tra loro, aumentando la probabilità che due si leghino gravitazionalmente in modo definitivo, per poi fondersi.

In entrambi i processi, però, le caratteristiche previste per “genitori” e “figlio” sono quelle rivelate da tutte le altre onde gravitazionali, e non da GW190412.

Lo studio

Nello studio che stiamo considerando, gli autori procedono passo dopo passo, utilizzando delle simulazioni al computer, cioè l’unico strumento che ci permette di capire eventi nel nostro universo distanti migliaia, se non milioni o miliardi di anni luce da noi.

Prima di tutto, stimano la probabilità che si generi un evento come GW190412 dai due processi standard che abbiamo descritto poco sopra: inviluppo comune e interazioni dinamiche. Per farlo, effettuano uno studio statistico sfruttando codici di simulazioni già esistenti, con i quali simulano, appunto, una distribuzione di buchi neri con determinati parametri, calcolati dai dati in nostro possesso. Questo tipo di analisi statistica si definisce BAYESIANA: partiamo da quanto conosciamo ed abbiamo imparato, per capire la probabilità che si verifichi una certa ipotesi; nuovi dati ci permetteranno, poi, di migliorare sempre di più questa ipotesi.

In questo modo, trovano che le possibilità di avere un evento come GW190412 sarebbero 1/10⁶ e 1/(10³-10⁴), nell’ipotesi di unica origine dall’inviluppo comune o dalle interazioni dinamiche, rispettivamente. Considerando però che gli eventi rivelati nel run O3 sono solo 50, è chiaro che le probabilità trovate siano decisamente troppo basse per questo evento “sui generis”.

Il passo successivo è assumere che GW190412 si sia originato da una fusione di seconda generazione (“hierarchical merging”) e cercare di rispondere alla domanda: “Cosa possiamo dedurre sul contesto in cui si è formato?”. Per farlo, gli autori studiano la probabilità che un dato “ambiente” possa aver formato un evento del genere. Simulano prima una fusione di “prima generazione” dei due genitori, dando come condizione la formazione di un buco nero “figlio” con le caratteristiche del nostro Golia, e poi simulano una fusione di seconda generazione (Golia con Davide, per capirci) che deve avere come risultato le caratteristiche del nostro evento GW190412.

Trovano che la distribuzione dello spin e del rapporto tra le masse dei due oggetti che danno vita alla fusione di seconda generazione, picca su valori diversi rispetto alle distribuzioni degli oggetti protagonisti di una fusione di prima generazione. In parole più chiare, mentre in una fusione di prima generazione la probabilità massima è raggiunta da due oggetti con massa simile, in una di seconda generazione questa probabilità è massima per valori del rapporto di massa q più bassi. Lo stesso vale per lo spin dell’oggetto risultante. Come conseguenza, un evento con le caratteristiche del nostro protagonista sarebbe molto più semplice da spiegare con una fusione di seconda generazione.

C’è un però. Per fare in modo che Golia, una volta generato dalla prima fusione, non fugga dal sistema a cui è legato gravitazionalmente e possa quindi fondersi con Davide, il suddetto sistema deve avere una velocità di fuga (la velocità necessaria a un oggetto per vincere la forza di gravità del sistema in cui si trova) maggiore di 150 km/s, un valore che eccede quello tipico degli ammassi globulari, in cui solitamente si verificano questi eventi.

Questo comporta un’ulteriore complicazione: GW190412, se di seconda generazione, deve essersi originato in regioni particolari, come un disco di accrescimento intorno ad un buco nero supermassiccio (10⁶-10⁹ masse solari) o come i cosiddetti “Nuclear Clusters”, regioni incredibilmente dense con decine di migliaia di stelle.

Nel video seguente è rappresentata una simulazione dell’evento GW190412

In conclusione

Quello che si può concludere da questo studio è che le caratteristiche dell’evento GW190412 possono essere più facilmente spiegate se questo avesse avuto origine da una fusione di seconda generazione. Questa però, dovrebbe essere avvenuta in un ambiente diverso rispetto a quelli standard. Per questo motivo non possiamo escludere del tutto scenari più “normali”, per quanto essi richiederebbero condizioni non facilmente riscontrabili nella teoria sviluppata fino ad ora ma che, ovviamente, può essere migliorata.

Nella scienza, il rasoio di Okkam la fa da padrone: quasi sempre la soluzione più semplice è quella giusta. Per questo, quando le condizioni al contorno per spiegare un determinato evento risultano essere troppo complesse o addirittura “ad hoc”, si tende sempre ad andarci con i piedi di piombo.

Quello che è sicuro è che le onde gravitazionali, come immaginavamo, ci stanno permettendo di sondare aspetti del cosmo che non potremmo analizzare in modo diverso. E noi siamo qui, pronti a rivelarle e a capire quanto di straordinario il nostro universo saprà ancora regalarci.

L’articolo completo: Astrophysical implications of GW190412 as a remnant of a previous black-hole merger