La rete internazionale di interferometri LIGO‑Virgo‑KAGRA ha osservato due eventi di onde gravitazionali, avvenuti in ottobre e in novembre del 2024, molto particolari, che sono probabilmente stati generati dalla fusione di buchi neri già nati da precedenti fusioni.

Il primo, denominato GW241011, ha avuto luogo a circa 700 milioni di anni luce da qui, con componenti di circa 17 e 7 masse solari; il buco nero più massivo aveva una rotazione tra le più rapide mai rilevate. Il secondo, GW241110, osservato a circa 2.4 miliardi di anni luce, ha coinvolto componenti di circa 16 e 8 masse solari, tra cui un buco nero primario che ruotava in direzione opposta rispetto al piano orbitale, un fenomeno mai osservato prima.

Queste caratteristiche peculiari suggeriscono che si tratti di buchi neri di “seconda generazione”, ossia oggetti nati da precedenti fusioni, in contesti astrofisici estremi come ammassi densamente popolati. Questa sarebbe la prima volta che segnali di onde gravitazionali provenienti da questi oggetti vengono rilevati.

Questi risultati arricchiscono la nostra comprensione delle modalità con cui possono formarsi sistemi binari di buchi neri in ambienti complessi, e offrono un banco di prova per la teoria della relatività generale così come per possibili scenari oltre il modello standard della fisica delle particelle.

Due eventi di onde gravitazionali molto peculiari

Nel primo evento, GW241011, due buchi neri di 17 e 7 masse solari si sono fusi formando un nuovo buco nero che ruota a una velocità tra le più alte mai osservate. La rotazione, o spin, è la velocità con cui un buco nero ruota attorno al proprio asse, e fornisce indizi importanti sulla sua origine. Una rotazione così elevata è difficile da spiegare se il buco nero si è formato direttamente dal collasso di una stella: è invece più probabile che derivi da una precedente fusione, da cui avrebbe ereditato parte della sua energia rotazionale.

Nel secondo evento, GW241110, il buco nero principale mostrava uno spin retrogrado, cioè ruotava in direzione opposta rispetto al moto orbitale del sistema binario. Anche questa caratteristica è difficile da spiegare in un sistema formato in modo isolato. È più probabile che questo buco nero si sia formato in un ambiente molto affollato, come un ammasso stellare, dove gli incontri tra buchi neri sono frequenti e possono avvenire con orientamenti casuali. In contesti del genere, le fusioni successive e le interazioni dinamiche possono portare a configurazioni anomale come quella osservata.

In entrambi i casi, la forte disparità fra le masse dei due componenti (circa 2 a 1) è un ulteriore indizio che il buco nero maggiore fosse già risultato da una precedente fusione (o merger, in gergo), e che dunque ci si trovi di fronte ad una fusione “gerarchica”. Queste fusioni possono verificarsi in ammassi stretti di stelle o in galassie nane con elevata densità, dove le probabilità di incontro fra buchi neri sono significativamente maggiori rispetto a sistemi isolati.

La presenza di queste due fusioni “anomale” segnala che la rete LIGO‑Virgo‑KAGRA è ora in grado di accedere a regioni prima poco esplorate, aprendo nuove finestre sulle modalità di evoluzione delle popolazioni di buchi neri.

Implicazioni per la fisica fondamentale

Oltre all’interesse astrofisico, queste osservazioni permettono anche di studiare la fisica in condizioni estreme, come quelle che si trovano vicino ai buchi neri. La rotazione molto rapida del buco nero osservato in GW241011 ha offerto l’occasione per testare una previsione della relatività generale: la cosiddetta “soluzione di Kerr”, che descrive come si comporta lo spazio-tempo attorno a un buco nero che ruota. I dati raccolti hanno mostrato un’ottima corrispondenza con quanto previsto dalla teoria di Einstein.

Inoltre, il fatto che questo buco nero ruoti ancora così velocemente, anche dopo milioni o miliardi di anni, si scontra con l’ipotesi dell’esistenza di alcune particelle ipotetiche chiamate bosoni ultraleggeri. Se esistessero, queste particelle potrebbero sottrarre energia ai buchi neri in rotazione, rallentandoli nel tempo. Il caso di GW241011 non mostra segni di questo rallentamento, restringendo le possibilità di massa di questi bosoni.

Più in generale, la presenza di fusioni così particolari suggerisce che una parte dei buchi neri osservati finora possa essere di seconda generazione, nati da precedenti fusioni in ambienti molto affollati. Questo spinge i ricercatori a rivedere i modelli che descrivono quanto spesso avvengono queste fusioni, quali masse e spin possiamo aspettarci, e quante ne potremmo osservare in futuro.

Lo studio che riporta la scoperta, pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, è reperibile qui.