Un nuovo modello apre la strada a una più profonda comprensione della struttura dei buchi neri in fusione
Nel 2015 gli astrofisici hanno rilevato per la prima volta le onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo che si verificano quando le fusioni di stelle di neutroni o buchi neri sconvolgono il cosmo. L’osservazione di queste onde ha confermato la teoria della relatività generale di Einstein, che prevedeva che tali onde si sarebbero verificate se lo spazio-tempo avesse funzionato come lui pensava. Nei sette anni successivi, sono stati individuati quasi 100 buchi neri in fusione osservando le onde gravitazionali emesse da questi eventi extraterrestri. Ora, Keefe Mitman, ricercatore del Caltech, e i suoi colleghi hanno modellato queste collisioni in modo più dettagliato, rivelando i cosiddetti effetti non lineari.
Struttura dei buchi neri in fusione, cosa sostiene la teoria?
“Gli effetti non lineari sono quelli che si verificano quando le onde sulla spiaggia si increspano e si infrangono”. Osserva Mitman, primo autore di un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters. “Le onde interagiscono e si influenzano a vicenda piuttosto che proseguire da sole”. “Con qualcosa di così violento come la fusione di un buco nero, ci aspettavamo questi effetti, ma finora non li avevamo visti nei nostri modelli”.
“I nuovi metodi per estrarre le forme d’onda dalle nostre simulazioni hanno reso possibile vedere le non linearità”. “In futuro, il nuovo modello potrà essere utilizzato per saperne di più sulle effettive collisioni di buchi neri che sono state osservate di routine dall’osservatorio LIGO da quando, nel 2015, è entrato nella storia con la prima rilevazione diretta di onde gravitazionali dallo spazio”.
Il professor Lam Hui della Columbia University ha usato un’analogia per descrivere le informazioni che le onde gravitazionali possono fornire:
“Se ti do una scatola e ti chiedo cosa c’è dentro, la cosa naturale da fare è scuoterla. Questo ti direbbe se all’interno della scatola ci sono caramelle o monete. È quello che stiamo cercando di fare con questi modelli, cioè raccogliere un’idea del contenuto interno di un buco nero ascoltando il suono che viene emesso quando viene scosso”. “Nel caso dei buchi neri, lo scuotimento è la perturbazione che si verifica quando due di essi si scontrano e si fondono”. “Ascoltando le armoniche che emette, possiamo valutare la struttura spazio-temporale del buco nero”.
Mitman, il professor Hui e i loro colleghi fanno parte della Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration. Utilizzano supercomputer per modellare l’evoluzione dei buchi neri che si uniscono a spirale e si fondono, utilizzando le equazioni della teoria generale della relatività di Albert Einstein.
Infatti, sono i primi a capire come utilizzare queste equazioni della relatività per modellare la fase di ringdown (esaurimento) della collisione tra buchi neri, che si verifica subito dopo la fusione dei due corpi massicci
“I supercomputer sono necessari per effettuare un calcolo accurato dell’intero segnale: l’inspirale dei due buchi neri orbitanti, la loro fusione e l’assestamento verso un unico buco nero residuo quiescente”. Dichiara il professor Saul Teukolsky del Caltech. “Il nuovo trattamento non lineare di questa fase consentirà una modellazione più accurata delle onde e, infine, nuovi test per verificare se la relatività generale è, di fatto, la teoria corretta della gravità per i buchi neri”.
Le simulazioni di SXS si sono rivelate fondamentali per identificare e caratterizzare i circa 100 smashup di buchi neri rilevati finora da LIGO. Il nuovo studio rappresenta la prima volta che gli astrofisici hanno identificato effetti non lineari nelle simulazioni della fase di ringdown.
“Immaginate che ci siano due persone su un trampolino. Se saltano dolcemente, non dovrebbero influenzare più di tanto l’altra persona. Questo è ciò che accade quando diciamo che una teoria è lineare”, precisa Mitman. “Ma se una persona inizia a rimbalzare con più energia, il trampolino si distorce e l’altra persona inizia a sentire la sua influenza”. “Questo è ciò che intendiamo per non lineare: le due persone sul trampolino sperimentano nuove oscillazioni a causa della presenza e dell’influenza dell’altra persona”.
***
In termini gravitazionali, ciò significa che le simulazioni producono nuovi tipi di onde. “Se si scava più a fondo sotto le onde grandi, si troverà un’ulteriore nuova onda con una frequenza unica”, commenta Mitman.
Nel quadro generale, queste nuove simulazioni aiuteranno i ricercatori a caratterizzare meglio le future collisioni di buchi neri osservate da LIGO e a testare meglio la teoria generale della relatività di Einstein.
“Questo è un grande passo avanti per prepararci alla prossima fase di rilevamento delle onde gravitazionali, che approfondirà la nostra comprensione della gravità in questi incredibili fenomeni che avvengono nelle zone più remote del cosmo”, osserva la dott.ssa Macarena Lagos della Columbia University. “Ci stiamo preparando per quando saremo i detective delle onde gravitazionali, quando dovremo scavare più a fondo per capire tutto il possibile sulla loro natura”, ha detto il professor Leo Stein dell’Università del Mississippi.
Struttura dei buchi neri: leggi notizie simili
