Virgo è un esperimento sulle onde gravitazionali, ospitato dall’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) a S. Stefano a Macerata, Cascina.
Una coppia di fusioni di buchi neri molto speciali, rilevate a distanza di appena un mese alla fine del 2024, sta migliorando la comprensione da parte degli scienziati della natura e dell’evoluzione delle collisioni più violente dello spazio profondo nell’universo. Alcune caratteristiche di queste fusioni indicano la possibilità di “buchi neri di seconda generazione”, cioè buchi neri che sono il risultato di precedenti coalescenze, probabilmente formati in ambienti cosmici molto densi e affollati, come gli ammassi stellari, dove i buchi neri hanno maggiori probabilità di incontrarsi e fondersi ripetutamente.
In un nuovo articolo pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, la collaborazione internazionale LIGO-Virgo-KAGRA riferisce il rilevamento di due eventi di onde gravitazionali, avvenuti rispettivamente a ottobre e novembre dello scorso anno, caratterizzati da insolite rotazioni dei buchi neri. Un’osservazione che aggiunge un importante tassello alla comprensione dei fenomeni più sfuggenti dell’universo.
Le onde gravitazionali sono “increspature” nello spazio-tempo generate da eventi cataclismici nello spazio profondo, con le onde più intense prodotte dalla collisione di buchi neri.
Grazie a sofisticate tecniche algoritmiche e modelli matematici, i ricercatori sono in grado di ricostruire molte caratteristiche fisiche dei buchi neri rilevati dall’analisi dei segnali gravitazionali, come le loro masse, la distanza dell’evento dalla Terra e persino la velocità e la direzione della loro rotazione attorno all’asse, chiamata spin.
La prima fusione rilevata l’11 ottobre 2024 (GW241011) è avvenuta a circa 700 milioni di anni luce di distanza ed è risultata dalla collisione di due buchi neri con masse di circa 17 e 7 volte quella del Sole. Il buco nero più grande di GW241011 è stato misurato come uno dei buchi neri più rapidamente rotanti osservati fino ad oggi.
Quasi un mese dopo, il 10 novembre 2024, è stato rilevato GW241110, proveniente da circa 2,4 miliardi di anni luce di distanza e relativo alla fusione di buchi neri di circa 16 e 8 volte la massa del Sole. Mentre la maggior parte dei buchi neri osservati ruota nella stessa direzione della loro orbita, il buco nero principale di GW241110 è stato osservato ruotare in direzione opposta all’orbita, un caso senza precedenti.
“Ogni nuova rilevazione fornisce importanti informazioni sull’universo, ricordandoci che ogni fusione osservata è sia una scoperta astrofisica sia un laboratorio preziosissimo per sondare le leggi fondamentali della fisica,” afferma Carl-Johan Haster, coautore dell’articolo e professore assistente di astrofisica presso l’Università del Nevada, Las Vegas (UNLV). “Coppie come queste erano state previste sulla base di osservazioni precedenti, ma questa è la prima prova diretta della loro esistenza.”
Entrambi i rilevamenti, curiosamente, indicano la possibilità di buchi neri “di seconda generazione”.
“GW241011 e GW241110 sono tra gli eventi più innovativi tra i diversi centinaia osservati dalla rete LIGO-Virgo-KAGRA,” afferma Stephen Fairhurst, professore all’Università di Cardiff e portavoce della LIGO Scientific Collaboration. “Con entrambi gli eventi caratterizzati da un buco nero significativamente più massiccio e rapidamente rotante rispetto all’altro, essi forniscono prove suggestive che questi buchi neri si siano formati da precedenti fusioni di buchi neri.”
Gli scienziati indicano alcuni indizi, tra cui la differenza di dimensioni tra i buchi neri in ciascuna fusione – il più grande era quasi il doppio del più piccolo – e l’orientamento dello spin del buco nero più grande in ciascun evento. Una spiegazione naturale per queste peculiarità è che i buchi neri siano il risultato di precedenti coalescenze. Questo processo, chiamato fusione gerarchica, suggerisce che questi sistemi si siano formati in ambienti densi, come gli ammassi stellari, dove i buchi neri hanno maggiori probabilità di incontrarsi e fondersi ripetutamente.
“Queste rilevazioni evidenziano le straordinarie capacità dei nostri osservatori globali di onde gravitazionali,” afferma Gianluca Gemme, ricercatore presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e portavoce della collaborazione Virgo. “Le insolite configurazioni di spin osservate in GW241011 e GW241110 non solo mettono alla prova la nostra comprensione della formazione dei buchi neri, ma offrono anche prove convincenti delle fusioni gerarchiche in ambienti cosmici densi: ci insegnano che alcuni buchi neri non esistono solo come partner isolati, ma probabilmente come membri di un gruppo denso e dinamico. Queste scoperte sottolineano l’importanza della collaborazione internazionale nello svelare i fenomeni più sfuggenti dell’universo.”
Le onde gravitazionali furono previste per la prima volta da Albert Einstein come parte della sua teoria generale della relatività nel 1916, ma la loro presenza – sebbene dimostrata negli anni ’70 – non è stata osservata direttamente dagli scienziati fino a soli dieci anni fa, quando le collaborazioni scientifiche LIGO e Virgo annunciarono la rilevazione delle onde derivanti dalla fusione di un buco nero.
Oggi, LIGO-Virgo-KAGRA è una rete mondiale di rivelatori avanzati di onde gravitazionali ed è quasi alla fine della sua quarta campagna di osservazione, O4. L’attuale campagna è iniziata alla fine di maggio 2023 e dovrebbe proseguire fino a metà novembre di quest’anno. Ad oggi, sono state osservate circa 300 fusioni di buchi neri tramite onde gravitazionali, inclusi i candidati identificati nella campagna O4 in corso, in attesa di validazione finale.
Inoltre, nel caso dell’osservazione annunciata oggi, la precisione con cui GW241011 è stata misurata ha permesso di testare alcune delle previsioni chiave della teoria della relatività generale di Einstein in condizioni estreme.
In effetti, questo evento può essere confrontato con le previsioni della teoria di Einstein e con la soluzione di Roy Kerr per i buchi neri rotanti. La rapida rotazione del buco nero ne deforma leggermente la forma, lasciando un’impronta caratteristica nelle onde gravitazionali emesse. Analizzando GW241011, il team di ricerca ha riscontrato un’eccellente corrispondenza con la soluzione di Kerr e ha verificato, ancora una volta, la previsione di Einstein, ma con precisione senza precedenti.
Inoltre, poiché le masse dei singoli buchi neri differiscono significativamente, il segnale delle onde gravitazionali contiene l’“hum” di un’armonica superiore – simile agli armonici degli strumenti musicali, osservato solo per la terza volta in GW241011. Una di queste armoniche è stata osservata con straordinaria chiarezza e conferma un’altra previsione della teoria di Einstein.
“Questa scoperta significa anche che siamo più sensibili che mai a qualsiasi nuova fisica che possa andare oltre la teoria di Einstein,” afferma Haster.
Ricerca avanzata di particelle elementari
I buchi neri a rapida rotazione come quelli osservati in questo studio hanno un’ulteriore applicazione: la fisica delle particelle. Gli scienziati possono usarli per verificare se esistono certe ipotetiche particelle elementari ultraleggere e quanto siano massicce.
Queste particelle, chiamate bosoni ultraleggeri, sono previste da alcune teorie che vanno oltre il Modello Standard della fisica delle particelle, che descrive e classifica tutte le particelle elementari conosciute. Se i bosoni ultraleggeri esistono, essi possono estrarre energia rotazionale dai buchi neri. La quantità di energia estratta e la decelerazione della rotazione dei buchi neri dipendono dalla massa di queste particelle, ancora sconosciuta.
L’osservazione che il buco nero massiccio nel sistema binario che ha emesso GW241011 continua a ruotare rapidamente anche milioni o miliardi di anni dopo la sua formazione esclude un’ampia gamma di masse possibili dei bosoni ultraleggeri.
“La rilevazione e l’analisi di questi due eventi dimostrano quanto sia importante far funzionare i nostri rivelatori in sinergia e migliorare la loro sensibilità,” afferma Francesco Pannarale, professore alla Sapienza – Università di Roma e co-presidente della Divisione di Scienza Osservativa delle collaborazioni LIGO-Virgo-KAGRA. “Gli strumenti LIGO e Virgo ci hanno insegnato ancora di più su come possano formarsi le coppie di buchi neri nel nostro universo,” aggiunge, “così come sulla fisica fondamentale che li governa. Migliorando i nostri strumenti, saremo in grado di approfondire questi e altri aspetti con una precisione di misura ancora maggiore.”
Dettagli sulla pubblicazione
“GW241011 e GW241110: Exploring Binary Formation and Fundamental Physics with Asymmetric, High-Spin Black Hole Coalescences” è stato pubblicato il 28 ottobre su The Astrophysical Journal Letters.
http://dx.doi.org/10.3847/2041-8213/ae0d54
La Collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA
LIGO è finanziato dalla NSF ed è gestito da Caltech e MIT, che hanno concepito e costruito il progetto. Il supporto finanziario per il progetto Advanced LIGO è stato guidato dalla NSF, con Germania (Max Planck Society), Regno Unito (Science and Technology Facilities Council) e Australia (Australian Research Council) che hanno fornito significativi contributi. Più di 1.600 scienziati di tutto il mondo partecipano attraverso la LIGO Scientific Collaboration, che include la GEO Collaboration. Ulteriori istituzioni membri sono elencate su https://my.ligo.org/census.php.
La collaborazione Virgo è attualmente composta da circa 1.000 membri provenienti da oltre 150 istituzioni in 15 diversi paesi (principalmente europei). L’European Gravitational Observatory (EGO) ospita il rivelatore Virgo vicino a Pisa, in Italia, ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia, dal Nikhef nei Paesi Bassi, dalla The Research Foundation – Flanders (FWO) e dal Belgian Fund for Scientific Research (F.R.S.–FNRS) in Belgio. Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito di Virgo: https://www.virgo-gw.eu.
KAGRA è un interferometro laser con bracci lunghi 3 km situato a Kamioka, Gifu, in Giappone. L’istituto ospitante è l’Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) dell’Università di Tokyo, e il progetto è co-ospitato dal National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) e dal High Energy Accelerator Research Organization (KEK). La collaborazione KAGRA è composta da oltre 400 membri provenienti da 128 istituti in 17 paesi/regioni. Informazioni per il pubblico generale su KAGRA sono disponibili su https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/, mentre le risorse per ricercatori si trovano su http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.
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