UN BIAS ALL’ORIGINE DELL’APPARENTE ASSENZA DI QUELLI STELLARI PIÙ MASSICCI

Buchi neri: dove sono tutti quanti?

I telescopi non hanno mai visto buchi neri stellari più massicci di due dozzine di volte la massa del Sole. Tuttavia sappiamo che esistono, avendone colta l’eco delle fusioni attraverso la rilevazione di onde gravitazionali. Ora un team di astronomi guidato da Peter Jonker dell’olandese Sron e della Radboud University ha scoperto che la spiegazione potrebbe stare in un bias osservativo che rende i telescopi tradizionali inadeguati a individuare buchi neri molto massicci

     12/11/2021
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Distribuzione delle masse di buchi neri e stelle di neutroni rivelate, rispettivamente, attraverso le onde gravitazionali (in blu i buchi neri, in arancione le stelle di neutroni) e le osservazioni elettromagnetiche (in rosso i buchi neri, in giallo le stelle di neutroni). Crediti: Ligo-Virgo / Aaron Geller / Northwestern University

Trovare buchi neri non è facile… È vero che l’Event Horizon Telescope è riuscito a “fotografarne” uno, o meglio a produrre un’immagine della sua “ombra”, ma si trattava di un buco nero supermassiccio – quelli da milioni o miliardi di masse solari, spesso esuberanti al punto da essere l’unica sorgente visibile della galassia nel cui cuore albergano. Quelli veramente difficili da trovare sono invece i buchi neri “normali”, quelli di massa stellare – o poco più. Ed è proprio in quel poco più che si cela uno fra i rompicapi che più stanno dando filo da torcere agli astronomi, in particolare da quando siamo in grado di cercare i buchi neri non solo con i telescopi ma anche – e soprattutto – con gli interferometri per onde gravitazionali: il problema è che i pochi soggetti individuati con i telescopi sono tutti relativamente piccoli, mentre quelli rilevati con le onde gravitazionali sembrano essere in media decisamente grandi.

Provate anche solo a scorrere il catalogo pubblicato la scorsa settimana con le 91 rilevazioni di onde gravitazionali registrate dagli interferometri Ligo e Virgo. Sono quasi tutte originate da fusioni fra buchi neri di massa piuttosto elevata, per essere buchi neri stellari: parliamo di decine di masse solari, e gli oggetti prodotti dalla fusione arrivano anche a superare le cento masse solari. Se invece prendessimo in mano un catalogo dei buchi neri di massa stellare individuati con i normali telescopi, faremmo fatica a trovarne oltre le 15 masse solari.

È come se i due diversi tipi di strumenti – interferometri per onde gravitazionali da una parte, telescopi per onde elettromagnetiche dall’altra – stessero osservando due realtà distinte, due universi differenti. Un oceano di balene vs. un mare di sardine. Ora è vero che interferometri e telescopi osservano volumi di universo non immediatamente confrontabili, enorme per i primi, molto più circoscritto per i secondi: i buchi neri “visti” dai telescopi sono stati pressoché tutti individuati – tranne rarissime eccezioni – all’interno della nostra galassia, la Via Lattea. Ed è comprensibile che gli interferometri, trovandosi a dover registrare segnali eccezionalmente deboli quali quelli prodotti dalle onde gravitazionali (parliamo di distorsioni dello spaziotempo di frazioni del diametro d’un protone), rilevino con maggior frequenza i segnali di maggiore intensità, dunque prodotti dalla fusione di oggetti di grande massa. Ma com’è possibile che i telescopi non si siano mai imbattuti in un buco nero superiore alla ventina di masse solari?

Una possibile risposta arriva ora da uno studio d’un gruppo di ricerca olandese, israeliano e spagnolo – di prossima pubblicazione su The Astrophysical Journal – guidato dall’astronomo Peter Jonker (Radboud University/Sron): i normali telescopi non sarebbero adatti a individuare buchi neri stellari molto massicci. Ed è una risposta che ha a che fare con i diversi possibili meccanismi di formazione dei buchi neri, dunque con la loro storia individuale.

Di solito un buco nero di massa stellare è ciò che resta di una stella molto massiccia dopo un’esplosione di supernova. Ebbene, sarebbe proprio il passaggio attraverso l’evento traumatico dell’esplosione a rendere i buchi neri oggetti “visibili” ai normali telescopi, ipotizzano Jonker e colleghi. Per due motivi. Anzitutto, l’esplosione di supernova agisce sul buco nero come una sorta di “calcio”, che se ben piazzato può espellerlo dal piano della Via Lattea verso un ambiente meno contaminato da gas e polveri e, dunque, più facilmente osservabile dai normali telescopi. Inoltre un buco nero non può essere “visto” direttamente, ma solo attraverso i suoi effetti: per esempio sulla sua stella compagna, che venendone poco a poco “divorata” ne tradisce l’esistenza. Ma per essere mangiato il boccone deve trovarsi a portata del morso gravitazionale, e questo avviene più facilmente se il buco nero non è troppo grande.

I buchi neri stellari più massicci – come quelli rilevati dagli interferometri per onde gravitazionali, appunto – si formerebbero invece non attraverso un’esplosione di supernova ma direttamente attraverso l’implosione di quell’enorme stella che erano in origine. Mancando la fase esplosiva, questi buchi neri tendono a rimanere dove sono: non si spostano dunque dal luogo d’origine, che di solito è nel piano galattico. Detto altrimenti, più sono grossi meno vengono “calciati” lontano, rimanendo così avvolti da gas e polveri. Non solo: se un buco nero è molto massiccio, la sua eventuale stella compagna è probabile che gli orbiti attorno a una distanza molto grande, rendendo dunque difficile che possa cedergli materia. E minando così alla base la possibilità di osservarlo.

Nessuna speranza, dunque, di ampliare i due insiemi – quello dei buchi neri “visibili” ai telescopi e quelli dei buchi neri rilevabili con le onde gravitazionali – fino a creare un’intersezione significativa? In realtà gli astronomi sono ottimisti: futuri interferometri e futuri telescopi aumenteranno la propria sensibilità – e dunque allargheranno il proprio campo d’azione – ampliando sempre più l’area di sovrapposizione fra i due insiemi.

Per saperne di più:

Sulle diverse “taglie” dei buchi neri guarda questo video di Gabriele Ghisellini: