ONDE GRAVITAZIONALI DAL MERGING GALATTICO

Buchi neri che collidono in anticipo

Dieci milioni di anni è il tempo che occorre prima che si abbia la fusione dei buchi neri che risiedono nei nuclei di due galassie interagenti. È quanto emerge da una lunga simulazione i cui risultati permetteranno agli astronomi di predire l'emissione di onde gravitazionali, anche in prospettiva della futura missione eLISA. Lo studio è pubblicato su ApJ

Quando due galassie interagiscono gravitazionalmente, la fusione dei rispettivi buchi neri centrali causa la formazione di onde gravitazionali la cui propagazione deforma la struttura dello spaziotempo. Grazie a una simulazione numerica realizzata con potenti supercomputer, un gruppo internazionale di ricercatori ha ora trovato che l’emissione di onde gravitazionali avviene circa 10 milioni di anni dopo la fusione delle due galassie: un intervallo di tempo decisamente inferiore rispetto a quanto ipotizzato in precedenza. I risultati di questo studio sono pubblicati su Astrophyisical Journal.

Oltre un secolo fa, Albert Einstein predisse con la sua teoria della relatività generale l’esistenza delle onde gravitazionali. Quest’anno, come abbiamo già riportato, esse sono state rivelate direttamente per la prima volta. L’osservatorio LIGO ha registrato queste deformazioni dello spaziotempo che sono state causate dalla fusione, o merging, di due buchi neri supermassivi. E la ricerca sulle onde gravitazionali continua. Infatti, a partire dal 2034, tre satelliti saranno messi in orbita a seguito di un progetto guidato dall’ESA che avrà lo scopo di studiare dallo spazio le onde gravitazionali a frequenze più basse mediante quello che viene chiamato interferometro eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna).

Finora, però, non è stato possibile predire in maniera conclusiva la posizione in cui vengono prodotte, e poi diffuse nello spazio, le onde gravitazionali nel momento in cui avviene il merging di due galassie. Ora, grazie a uno studio che ha visto coinvolti alcuni astrofisici delle Università di Zurigo, Institute of Space Technology Islamabad, Università di Heidelberg e Accademia Cinese di Scienze, è stato possibile calcolare per la prima volta tutto questo grazie all’ausilio di elaborate simulazioni numeriche.

Le immagini mostrano alcune sequenze della simulazione di due galassie che arrivano alla fusione nel corso di un periodo di 15 milioni di anni. I puntini rosso e blu indicano i due buchi neri. Crediti: Fazeel Mahmood Khan et al. 2016/ApJ

Sappiamo che in ogni galassia risiede un buco nero supermassivo, la cui massa può raggiungere milioni o persino miliardi di masse solari. Dunque, partendo da una simulazione realistica, i ricercatori hanno ricostruito il processo del merging di due galassie che hanno un’età di circa 3 miliardi di anni e che si trovano relativamente vicine. Facendo uso di potenti supercomputer, gli scienziati hanno quindi calcolato l’intervallo di tempo dopo il quale i due buchi neri centrali, che hanno masse equivalenti a 100 milioni di soli, iniziano ad emettere le prime onde gravitazionali una volta che le galassie sono arrivate alla fusione. «ll risultato è alquanto sorprendente», spiega Lucio Mayer dell’Institute for Computational Science dell’Università di Zurigo e co-autore dello studio. «Il merging dei due buchi neri avviene dopo 10 milioni di anni dal momento in cui è avvenuta la fusione delle due galassie, un processo che avviene molto più rapidamente di quanto ipotizzato, almeno di un fattore 100, che porta all’emissione iniziale di onde gravitazionali».

La simulazione, che ha richiesto più di un anno di elaborazione, è stata condotta in Cina, Zurigo e Heidelberg. Il progetto si è basato su un approccio computazionale innovativo che ha visto l’applicazione su differenti supercomputer di diversi codici numerici. Inoltre, ogni supercomputer è stato impiegato durante il processo per calcolare una certa fase della convergenza orbitale dei due buchi neri supermassivi e delle rispettive galassie.

Rispetto ai precedenti modelli, qui è stato possibile analizzare la relazione tra le orbite dei buchi neri e la struttura realistica delle rispettive galassie. «I nostri calcoli permettono di effettuare una previsione robusta in merito al tasso di merging dei buchi neri supermassivi relativamente alle fasi primordiali della storia dell’Universo», conclude Mayer. «In definitiva, essi possono aiutarci a valutare l’approccio verso la ricerca di onde gravitazionali che eLISA si appresta a trovare nel futuro prossimo».


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