Lo scorso 13 luglio \u00e8 stata annunciata la scoperta del pi\u00f9 imponente scontro tra buchi neri mai registrato dalla rete internazionale di rivelatori di onde gravitazionali LVK (LIGO Virgo KAGRA). L’evento \u00e8 stato osservato il 23 novembre 2023 ed \u00e8 stato battezzato GW231123. Si trattava di due giganti di circa 100 e 140 masse solari, che si sono fusi tra loro per produrne uno con massa oltre 225 volte superiore a quella del Sole. Un record, ma non solo. La cosa pi\u00f9 sorprendente \u00e8 che in prima approssimazione, stando alle conoscenze \u00abstandard\u00bb attuali, nessuno dei due buchi neri iniziali avrebbe dovuto esistere. Non \u00e8 un caso isolato. Anche nello scontro GW190521, uno dei buchi neri di partenza aveva una massa di 85 masse solari, troppo grande da spiegare in base ai modelli di evoluzione stellare. E perfino i telescopi spaziali Webb e Chandra hanno trovato un buco nero \u00abimpossibile\u00bb come UHZ1, di tipo molto diverso ma sempre troppo grande (decine di milioni di masse solari) per essersi formato con i meccanismi noti quando l’universo aveva solo 470 milioni di anni (ora ne ha 13,8 miliarid). Da dove arrivano, allora, questi giganti? Che cosa \u00e8 avvenuto esattamente nello scontro da poco reso noto? E che cosa lega i buchi neri rilevati con le onde gravitazionali a quelli osservati dai telescopi spaziali all’alba dei tempi? Cominciamo a inquadrare bene i dettagli dell’evento GW231123. \u00abQuesto scontro \u00e8 interessante per due motivi\u00bb, commenta Gabriele Franciolini, fisico teorico al Cern di Ginevra che si occupa di buchi neri. \u00abIl primo sono le masse in gioco, il secondo la loro rotazione\u00bb. Prima dell’impatto, infatti, i due oggetti ruotavano vorticosamente ciascuno attorno al proprio asse all’80-90% della velocit\u00e0 massima, cio\u00e8 a circa 400mila volte la rotazione terrestre. Il dato principale da capire sono le masse. \u00abSono all’interno di quello che viene chiamato mass gap, un range in cui \u00e8 difficile spiegare con i modelli astrofisici come si possano formare\u00bb, dice Franciolini. Normalmente, i buchi neri si formano al termine della vita di stelle molto pi\u00f9 grandi del Sole. Una volta esauriti gli elementi leggeri che sostenevano le reazioni di fusione, la stella \u00absi spegne\u00bb e collassa sotto il proprio peso. Si genera cos\u00ec un nucleo compatto sul quale il gas in caduta rimbalza violentemente, generando un’esplosione detta supernova. Se la stella iniziale \u00e8 abbastanza grande, al centro rimane un buco nero. Dunque \u00e8 improbabile che i buchi neri osservati si siano formati per evoluzione stellare, a meno che non si tratti di situazioni molto particolari e molto rare. Quali sono le ipotesi pi\u00f9 plausibili, allora? \u00abLa prima \u00e8 che siano il risultato di scontri precedenti\u00bb, spiega Franciolini. \u00abIn questo scenario, detto \u00abgerarchico\u00bb, inizialmente si sono formati buchi pi\u00f9 leggeri, che per\u00f2 si trovavano in ambienti molto densi di stelle e altri buchi neri. Da uno o pi\u00f9 scontri successivi, si sarebbe arrivati a quelli attuali\u00bb. Anche l’elevata velocit\u00e0 di rotazione osservata \u00e8 coerente con questo scenario, perch\u00e9 quando due buchi neri si scontrano, lo fanno cadendo a spirale l’uno sull’altro, e il buco nero finale ne eredita la rotazione complessiva per la legge della \u00abconservazione del momento angolare\u00bb. \u00abIl problema \u00e8 capire se questi processi possono avvenire abbastanza frequentemente da spiegare un evento come GW231123\u00bb, conclude Franciolini. Per arrivare a una risposta, \u00e8 utile avere sempre pi\u00f9 osservazioni e studiare le statistiche degli scontri al variare di tutte le possibili masse di partenza. Per questo sono preziosissimi i dati dei run di osservazione della rete LVK, come gli ultimi rilasciati il 26 agosto, relativi al periodo 24 maggio 2023 – 16 gennaio 2024 (prima met\u00e0 del quarto run, O4a). \u00abIl catalogo precedente conteneva una settantina di eventi, ora sono intorno a 220\u00bb, precisa Franciolini. In attesa di risposte da studi che, comunque, richiederanno anni, il mistero si infittisce se si va a guardare ai dati astronomici, e in particolare alle osservazioni del James Webb Space Telescope, che \u2013 con il suo sguardo a infrarossi \u2013 sta scrutando l’universo a distanze mai viste prima, nel periodo in cui si formarono le prime stelle e le prime galassie. \u00abSi stanno vedendo galassie pi\u00f9 massicce, e in maggior numero, di quello che si pensava in base alla teoria standard di formazione delle strutture. E si stanno osservando anche buchi neri pi\u00f9 massicci del previsto\u00bb. L’esempio pi\u00f9 emblematico \u00e8 UHZ1, che ha una massa compresa tra 10 e 100 milioni di masse solari e risale a quando l’universo aveva appena 470 milioni di anni. In questo caso, si tratta di \u00abbestia\u00bb diversa da quelle di cui abbiamo parlato finora, perch\u00e9 la massa \u00e8 molto maggiore. Ma il mistero \u00e8 lo stesso: come \u00e8 nato UHZ1? Se si fosse formato con le modalit\u00e0 note, cio\u00e8 attraverso la formazione di buchi neri stellari che poi si scontrano tra loro e inglobano altra materia, ci sarebbe voluto un tempo pi\u00f9 lungo dell’et\u00e0 dell’universo all’epoca, a meno che l’accrescimento non fosse avvenuto a ritmi veramente forsennati. Si \u00e8 ipotizzato allora che questo gigante si sia formato per collasso diretto di una grande quantit\u00e0 di materia, senza passare per la formazione di supernove. \u00abIl collasso diretto di una massa di questo tipo, per\u00f2, pu\u00f2 avvenire solo in condizioni molto particolari\u00bb, osserva Franciolini. \u00abLa massa dovrebbe essere molto simmetrica e omogenea, altrimenti si frammenterebbe e ci si ritroverebbe con tanti buchi neri pi\u00f9 piccoli\u00bb. Guarda caso, questi buchi neri avrebbero proprio una massa di circa 100 masse solari. Di fronte a queste incertezze, non stupisce che i teorici siano a caccia di nuovi meccanismi che possano spiegare l’origine dei buchi neri. Gabriele Francioli al Cern si occupa di questo, di come nelle prime fasi di vita dell’universo \u2013 prima ancora che si formassero le stelle \u2013 si possano essere creati buchi neri \u00abprimordiali\u00bb. Per capire meglio di che cosa di tratta, occorre introdurre il concetto di orizzonte. Consideriamo l’universo visibile oggi: si trova all’interno di un confine, detto appunto orizzonte, all’interno del quale si trovano gli oggetti che riusciamo a vedere. Gli oggetti oltre l’orizzonte, al contrario, sono troppo lontani e non possiamo visualizzarli, perch\u00e9 dal Big Bang a oggi la luce che hanno emesso non ha fatto ancora in tempo a raggiungerci. Ci\u00f2 che si trova dentro il nostro orizzonte pu\u00f2 avere un rapporto di causa ed effetto con noi, ci\u00f2 che si trova all’esterno no. L’orizzonte si espande nel tempo, perch\u00e9 pi\u00f9 tempo passa e pi\u00f9 la luce degli oggetti lontani ha tempo per raggiungerci. Al contrario, andando a ritroso nel tempo, l’orizzonte diventa sempre pi\u00f9 piccolo. E siamo arrivati al punto. Si pensa che nelle sue primissime fasi l’universo abbia subito un’espansione iperaccelerata detta \u00abinflazione\u00bb. In quel periodo, il cosmo era scosso da fluttuazioni di natura quantistica, dalle quali molto dopo sarebbero nate le strutture attuali: stelle, galassie e ammassi di galassie. \u00abSe c’erano fluttuazioni marcate su piccola scala, potrebbero essere collassate sotto la forza di gravit\u00e0 formando buchi neri primordiali\u00bb, spiega Franciolini. E il momento in cui questo \u00e8 avvenuto \u2013 frazioni di secondo dopo il Big Bang \u2013 \u00e8 stato determinato dall’orizzonte: una regione collassava quando l’orizzonte si espandeva al punto da inglobarla per intero, altrimenti le sue singole parti sarebbero risultate \u00abscollegate\u00bb tra loro. In pratica, appena queste fluttuazioni hanno trovato il tempo di farlo, sono diventate buchi neri. \u00abQuesto scenario pu\u00f2 produrre masse in un range enorme, da qualche grammo fino a centinaia di masse solari. Dipende da quali erano le condizioni iniziali, cio\u00e8 dalla scala a cui si sviluppavano queste perturbazioni di grande densit\u00e0\u00bb, commenta Franciolini. A un’estremit\u00e0 della scala ci sono buchi neri con massa di circa 10-12 masse solari, tipicamente la massa di un asteroide (10-12 \u00e8 pari a un milionesimo di milionesimo). Avrebbero le dimensioni di un atomo e, se veramente esistessero in grandi quantit\u00e0, potrebbero costituire la massa mancante dell’universo, cio\u00e8 quella che viene comunemente chiamata \u00abmateria oscura\u00bb, risolvendo uno dei grandi enigmi dell’universo. \u00c8 un’ipotesi tra tante, ma potrebbe essere sottoposta a verifica attraverso osservazioni astronomiche in futuro (in particolare, attraverso l’osservazione del fondo cosmico di onde gravitazionali). All’altra estremit\u00e0 della scala ci sono i buchi neri di massa pari a 100 masse solari. Erano le masse in gioco in GW231123, quelle da cui siamo partiti. \u00abLo scenario primordiale permette di creare buchi neri anche di questo tipo\u00bb, spiega Franciolini. E se ce ne fossero stati abbastanza, scontrandosi tra loro fin dall’inizio avrebbero avuto tutto il tempo di produrre anche buchi neri come UHZ1, risolvendo due misteri in un colpo solo. \u00abLo scenario primordiale unifica le due situazioni\u00bb, enfatizza Franciolini. \u00abE sappiamo che sar\u00e0 testato. Con la nuova generazione di osservatori di onde gravitazionali come l’Einstein Telescope, infatti, esploreremo distanze ancora maggiori di quelle attuali e sapremo se questi buchi neri erano l\u00ec prima che le galassie si formassero \u2013 10 o 100 milioni di anni dopo il Big Bang \u2013 oppure no\u00bb.<\/p>\n\n\n\n
Andrea Parlangeli<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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