Da Orsina Fiorentini 
Gli astronomi potrebbero utilizzare piccole coppie di buchi neri in un gioco cosmico di “nascondino” per dare la caccia a coppie di buchi neri massicci più grandi e sfuggenti. Pertanto, questa tecnica potrebbe aiutare a risolvere il mistero di come i buchi neri massicci siano cresciuti così rapidamente nell’universo primordiale.
Rilevare i buchi neri non è un compito facile, nonostante la loro reputazione di temibili giganti cosmici. Tutti i buchi neri sono circondati da un confine unidirezionale che intrappola la luce chiamato orizzonte degli eventi, che garantisce che non venga emessa luce. Persino i buchi neri supermassicci al centro delle galassie che sono milioni o miliardi di volte la massa del Sole possono essere “visti” solo se si nutrono di un’enorme quantità di materia che li circonda o se stanno facendo a pezzi una stella sfortunata.
Ma la luce, o “radiazione elettromagnetica”, come è più precisamente conosciuta, è solo un tipo di radiazione. Un altro tipo di radiazione è la “radiazione gravitazionale”, che si presenta sotto forma di piccole increspature che fanno vibrare lo spazio-tempo, e si chiama “onde gravitazionali”, che l’umanità sta appena iniziando a scoprire. Ciò significa che invece di cercare coppie di buchi neri supermassicci in questo gioco a nascondino, gli astronomi possono invece ascoltare.
“La nostra idea funziona fondamentalmente come ascoltare un canale radio”, afferma il leader del team Jacob Stegmann, ricercatore post-dottorato presso l’Istituto Max Planck di Astrofisica. “Proponiamo di utilizzare il segnale proveniente da coppie di piccoli buchi neri in modo simile al modo in cui trasportano le onde radio il segnale.” Lo ha detto in un comunicato“I buchi neri supermassicci sono la musica codificata nella modulazione di frequenza (FM) del segnale rilevato.”
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Un minuscolo buco nero canta un soprano
Le onde gravitazionali sono un concetto proposto per la prima volta da Albert Einstein nella relatività generale, la sua grande teoria della gravità nel 1915.
La relatività generale suggerisce che la gravità nasce quando un oggetto dotato di massa “distorce” il tessuto dello spazio-tempo stesso, che Einstein aveva precedentemente unificato in un’unica entità quadridimensionale (tre dimensioni spaziali, una dimensione temporale) chiamata “spazio-tempo”. “
Maggiore è la massa, maggiore è la curvatura dello spazio creata dall’oggetto. Ciò spiega perché i pianeti hanno un’influenza gravitazionale maggiore rispetto alle lune, perché le stelle hanno un’influenza maggiore rispetto ai pianeti e perché i buchi neri hanno un’influenza maggiore rispetto a qualsiasi singolo oggetto.
Einstein predisse anche che quando gli oggetti accelerano nello spazio-tempo, fanno “anellare” il suo tessuto con increspature o onde gravitazionali. Queste onde sono del tutto insignificanti per oggetti di piccola massa, ma quando i buchi neri orbitano tra loro (ricordando che il movimento circolare è accelerazione), hanno massa sufficiente per generare grandi onde gravitazionali.
Quando questi buchi neri orbitano tra loro, emettono onde gravitazionali continue a bassa frequenza. Queste onde gravitazionali portano via momento angolare (o rotazione), costringendo i buchi neri a coalizzarsi insieme, un processo chiamato “coalescenza di ingresso”. Ciò aumenta la frequenza delle onde gravitazionali, facendo sì che il momento angolare venga trasportato via sempre più velocemente.
Ciò continua fino a quando i buchi neri finalmente si scontrano e si fondono, un evento che si traduce in un “urlo” di onde gravitazionali a frequenza più elevata.
Tuttavia, Einstein predisse che queste increspature nello spazio-tempo sarebbero state troppo deboli per essere rilevate, soprattutto perché avrebbero perso energia mentre si diffondevano nell’universo e le fusioni dei buchi neri sarebbero avvenute a milioni o addirittura miliardi di anni luce di distanza.
Fortunatamente, ora sappiamo che Einstein aveva torto.
Dal rilevamento del primo segnale di onda gravitazionale da parte del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nel 2015, originato da una fusione binaria di buchi neri a 1,3 miliardi di anni luce di distanza, sono state rilevate numerose collisioni di buchi neri.
Ma queste scoperte hanno una cosa in comune. Quando i buchi neri erano collegati ai buchi neri, erano sempre coppie nella gamma dei buchi neri di massa stellare, con masse che andavano da tre a poche centinaia di volte la massa del Sole. Le fusioni di buchi neri supermassicci sono state sfuggenti ai rilevatori di onde gravitazionali basati a terra come LIGO e la sua controparte Virgo in Italia e il rilevatore di onde gravitazionali Kamioka (Kajra) in Giappone.
Proprio come le nostre orecchie si sono evolute per essere in grado di sentire determinate frequenze del suono ma non altre, questi dispositivi possono rilevare solo una certa gamma di frequenze delle onde gravitazionali. Le onde gravitazionali emesse dalle coppie vorticose di buchi neri supermassicci sono così a bassa frequenza che i rilevatori di onde gravitazionali a terra non possono “sentirle”.
In altre parole, i binari di massa stellare cantano con una voce di soprano, con le loro onde gravitazionali, mentre i binari di massa stellare cantano con una voce di baritono.
Questo team si propone di rilevare il sottile cambiamento nelle onde gravitazionali delle binarie stellari del buco nero causato dall’interferenza delle onde gravitazionali provenienti dalle binarie massicce.
Pertanto, queste piccole modifiche potrebbero aiutare a rilevare fusioni di buchi neri supermassicci che attualmente possono essere rilevate solo come un “ronzio di fondo” collettivo utilizzando massicci ammassi di stelle di neutroni in rapida rotazione chiamati “ammasso temporale di pulsar”.
“L’aspetto innovativo di questa idea è quello di sfruttare le alte frequenze che sono facili da rilevare per esplorare le frequenze più basse che non possiamo ancora rilevare”, ha detto Stegemann.
La proposta potrebbe anche aiutare a guidare la progettazione dei futuri rilevatori di onde gravitazionali, come il rilevatore LISA (Laser Interferometer Space Antenna) della NASA e dell’Agenzia spaziale europea (ESA).
“Con il percorso tracciato per LISA ormai tracciato, dopo la sua approvazione da parte dell’Agenzia spaziale europea lo scorso gennaio, la comunità deve valutare la migliore strategia per la prossima generazione di rilevatori di onde gravitazionali”, ha affermato il membro del team e teorico dei buchi neri presso l’Università di Zurigo, Lucio Mayer”. “In particolare, quale gamma di frequenze dovrebbero prendere di mira: studi come questo danno un forte impulso a dare priorità ai deci-Hz”. [low-frequency] “Progettazione del rilevatore”.
I risultati della ricerca del team sono stati pubblicati lunedì (5 agosto) sulla rivista Nature.