Didascalia: uno studio del MIT rileva che, per ora, il catalogo delle binarie conosciute dei buchi neri non rivela nulla di fondamentale su come si formano i buchi neri. Nella foto è raffigurata una simulazione della luce emessa da un sistema binario di buchi neri supermassicci in cui il gas circostante è otticamente sottile (trasparente). Credito: Goddard Space Flight Center della NASA
I ricercatori affermano che le attuali misurazioni dei buchi neri non sono sufficienti per determinare il processo di formazione di questi giganti invisibili nell'universo.
Il modo in cui un
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>la rotazione del buco nero può fornire informazioni sulle sue origini, in particolare per i buchi neri binari, che sono due buchi neri che orbitano l'uno vicino all'altro prima di fondersi. La rotazione e l'inclinazione di ogni buco nero appena prima che si fondano possono indicare se i buchi neri si sono formati da un disco galattico silenzioso o da un ammasso di stelle più attivo.
Gli astronomi sperano di scoprire quale di queste storie di origine sia più probabile analizzando le 69 binarie confermate rilevate fino ad oggi. Ma un nuovo studio rileva che per ora l'attuale catalogo di binari non è sufficiente per rivelare qualcosa di fondamentale su come si formano i buchi neri.
In uno studio apparso sulla rivista Lettere di astronomia e astrofisica, CON i fisici mostrano che quando tutte le binarie conosciute e i loro spin vengono elaborati in modelli di formazione di buchi neri, le conclusioni possono apparire molto diverse, a seconda del particolare modello utilizzato per interpretare i dati.
Le origini di un buco nero possono quindi essere "provocate" in modi diversi, a seconda delle ipotesi di un modello su come funziona l'universo.
"Quando cambi il modello e lo rendi più flessibile o fai ipotesi diverse, ottieni una risposta diversa su come si sono formati i buchi neri nell'universo", afferma la coautrice dello studio Sylvia Biscoveanu, un
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>studente laureato del MIT che lavora nel
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>LIGO Laboratory. "Dimostriamo che le persone devono stare attente perché non siamo ancora nella fase con i nostri dati in cui possiamo credere a ciò che ci dice il modello".
I coautori dello studio includono Colm Talbot, un postdoc del MIT; e Salvatore Vitale, professore associato di fisica e membro del Kavli Institute of Astrophysics and Space Research al MIT.
Una storia dalle due origini
Si pensa che i buchi neri nei sistemi binari sorgano attraverso uno dei due percorsi. Il primo è attraverso "l'evoluzione binaria di campo", in cui due stelle si evolvono insieme e alla fine esplodono in supernove, lasciando dietro di sé due buchi neri che continuano a girare in un sistema binario. In questo scenario, i buchi neri dovrebbero avere spin relativamente allineati, poiché avrebbero avuto il tempo - prima come stelle, poi come buchi neri - di tirarsi e trascinarsi a vicenda in orientamenti simili. Se i buchi neri di un sistema binario hanno all'incirca lo stesso spin, gli scienziati ritengono che debbano essersi evoluti in un ambiente relativamente silenzioso, come un disco galattico.
I binari dei buchi neri possono anche formarsi attraverso un "assemblaggio dinamico", in cui due buchi neri si evolvono separatamente, ciascuno con la propria inclinazione e rotazione distinte. A causa di alcuni processi astrofisici estremi, i buchi neri vengono infine riuniti, abbastanza vicini da formare un sistema binario. Un tale accoppiamento dinamico probabilmente non si verificherebbe in un tranquillo disco galattico, ma in un ambiente più denso, come un ammasso globulare, dove l'interazione di migliaia di stelle può mettere insieme due buchi neri. Se i buchi neri di un sistema binario hanno spin orientati in modo casuale, probabilmente si sono formati in un ammasso globulare.
Ma quale frazione di binari si forma attraverso un canale rispetto all'altro? La risposta, secondo gli astronomi, dovrebbe risiedere nei dati e, in particolare, nelle misurazioni degli spin dei buchi neri.
Ad oggi, gli astronomi hanno derivato gli spin dei buchi neri in 69 sistemi binari, che sono stati scoperti da una rete di rilevatori di onde gravitazionali tra cui LIGO negli Stati Uniti e la sua controparte italiana Virgo. Ogni rilevatore ascolta i segni di
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>onde gravitazionali — riverberi molto sottili attraverso lo spazio-tempo che sono lasciati dall'estremo, eventi astrofisici come la fusione di enormi buchi neri.
Con ogni rilevamento binario, gli astronomi hanno stimato le proprietà del rispettivo buco nero, inclusa la massa e lo spin. Hanno elaborato le misurazioni dello spin in un modello generalmente accettato di formazione del buco nero e hanno trovato segni che i sistemi binari potrebbero avere sia uno spin allineato preferito, sia spin casuali. Cioè, l'universo potrebbe produrre binari sia nei dischi galattici che negli ammassi globulari.
"Ma volevamo sapere, abbiamo abbastanza dati per fare questa distinzione?" dice Biscoveanu. "E si scopre che le cose sono disordinate e incerte, ed è più difficile di quanto sembri."
Girare i dati
Nel loro nuovo studio, il team del MIT ha testato se gli stessi dati avrebbero prodotto le stesse conclusioni se lavorati su modelli teorici leggermente diversi di come si formano i buchi neri.
Il team ha prima riprodotto le misurazioni dello spin di LIGO in un modello ampiamente utilizzato di formazione di buchi neri. Questo modello presuppone che una frazione delle binarie nell'universo preferisca produrre buchi neri con spin allineati, mentre il resto delle binarie ha spin casuali. Hanno scoperto che i dati sembravano concordare con le ipotesi di questo modello e hanno mostrato un picco in cui il modello prevedeva che ci sarebbero stati più buchi neri con spin simili.
Hanno quindi modificato leggermente il modello, alterando i suoi presupposti in modo tale da prevedere un orientamento leggermente diverso degli spin preferiti del buco nero. Quando hanno elaborato gli stessi dati in questo modello ottimizzato, hanno scoperto che i dati erano stati spostati per allinearsi alle nuove previsioni. I dati hanno anche fatto cambiamenti simili in altri 10 modelli, ciascuno con un'ipotesi diversa su come i buchi neri preferiscono ruotare.
"Il nostro articolo mostra che il tuo risultato dipende interamente da come modelli la tua astrofisica, piuttosto che dai dati stessi", afferma Biscoveanu.
"Abbiamo bisogno di più dati di quanto pensassimo se vogliamo fare un'affermazione indipendente dalle ipotesi astrofisiche che facciamo", aggiunge Vitale.
Di quanti dati in più avranno bisogno gli astronomi? Vitale stima che una volta che la rete LIGO si riavvierà all'inizio del 2023, gli strumenti rileveranno un nuovo buco nero binario ogni pochi giorni. Nel corso del prossimo anno, ciò potrebbe aggiungere fino a centinaia di misurazioni in più da aggiungere ai dati.
"Le misurazioni degli spin che abbiamo ora sono molto incerte", afferma Vitale. “Ma man mano che ne costruiamo molti, possiamo ottenere informazioni migliori. Quindi possiamo dire, indipendentemente dai dettagli del mio modello, i dati mi raccontano sempre la stessa storia, una storia a cui potremmo quindi credere.
Riferimento: "Spin it as you like: The (lack of a) measurement of the spin tilt distribution with LIGO-Virgo-KAGRA binary black holes" di Salvatore Vitale, Sylvia Biscoveanu e Colm Talbot, 9 dicembre 2022, Lettere di astronomia e astrofisica.
DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 202245084
Questa ricerca è stata sostenuta in parte dalla National Science Foundation.
