PRIMA EVIDENZA DI RISONANZE SPIN-ORBITA NEI BUCHI NERI BINARI

Risonanze di coppia per buchi neri

Una ricerca guidata dalla Cornell University sui dati delle onde gravitazionali rilevate da Ligo e Virgo ha scoperto quella che potrebbe essere la prima evidenza osservativa di risonanze spin-orbita nei buchi neri binari. Se confermata, sarebbe un grande passo verso la comprensione dei meccanismi coinvolti nelle supernove e di altre questioni aperte in astrofisica. Tutti i dettagli su Physical Review Letters

     28/01/2022
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Rappresentazione artistica di un buco nero binario in precessione. I buchi neri, che spiraleggiando si uniranno in un buco nero più grande, sono rappresentati in orbita l’uno attorno all’altro su un piano. L’asse di rotazione di questi buchi neri non è allineato con il momento angolare, ossia sono inclinati rispetto al movimento orbitale complessivo della coppia. Questo fa sì che l’orbita precessi come una trottola che gira lungo un asse inclinato. Crediti: Ligo/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Una ricerca condotta alla Cornell University sui dati delle onde gravitazionali rilevate da Ligo e Virgo, ha scoperto quella che potrebbe essere la prima evidenza osservativa di risonanze spin-orbita nei buchi neri binari. Se confermata, costituirebbe un grande passo verso la comprensione dei meccanismi coinvolti nelle supernove e di altre grandi questioni ancora aperte in astrofisica. «Queste risonanze sono state previste oltre un decennio fa utilizzando la teoria della relatività generale di Einstein», ha affermato l’astrofisico Vijay Varma, che ha analizzato le onde gravitazionali rilevate da Ligo e Virgo, trovando nelle osservazioni le prime tracce di tali risonanze.

La relatività generale definisce chiaramente la natura dei buchi neri, caratterizzati dalla loro massa e dallo spin, ossia dalla velocità di rotazione attorno al loro asse. Nel caso in cui il sistema sia binario, ossia ci siano due buchi neri in orbita l’uno attorno all’altro, anche le direzioni degli assi di spin e la loro distanza reciproca sono determinanti.

Nello studio recentemente pubblicato su Physical Review Letters, Varma e collaboratori riferiscono che gli spin dei due buchi neri, quando proiettati sul piano orbitale, tendono a essere antiparalleli, e questo può indicare una risonanza spin-orbita. Secondo Varma tuttavia sono necessarie ulteriori osservazioni per confermare questa ipotesi.

«Gli effetti di risonanza sono diffusi nei sistemi fisici. Si presentano quando due processi in un sistema si verificano a frequenze specificamente correlate», spiega Saul Teukolsky, professore di fisica alla Cornell e mentor di Varma. «Nei sistemi di buchi neri che Vijay sta studiando, si prevede che la risonanza avvenga tra il moto di rotazione dei buchi neri e il loro movimento orbitale, lasciando un’impronta sulle onde gravitazionali prodotte. Questo lavoro mostra che se analizziamo i dati in modo intelligente, siamo molto più vicini a testare questa previsione della relatività generale di quanto pensassimo».

Gli spin dei due buchi neri del sistema binario sono rappresentati dai due vettori χ1 e χ2, con indice 1 (2) che denota il buco nero più pesante (più leggero). Nel caso rappresentato in figura, χ1 e χ2 non sono allineati al vettore momento angolare L, bensì inclinati. Questo fa sì che il piano orbitale precessi. Mentre gli angoli di inclinazione θ1 e θ2 controllano la precessione, la proiezione di χ1 e χ2 sul piano orbitale forma angoli ϕ1 e ϕ2 che giocano un ruolo centrale nei sistemi binari sottoposti a risonanze spin-orbita. Per questi sistemi, i vettori χ1, χ2 e L vengono “bloccati” (locked, in inglese) su un piano risonante comune tale che ϕ1 − ϕ2 è pari a 0 o π. Crediti: Varma et. al

I buchi neri in genere ruotano perché si formano da stelle morenti esse stesse rotanti. Quando due di questi buchi neri orbitano l’uno attorno all’altro in un sistema binario, i loro spin interagiscono con l’orbita. I buchi neri binari perdono energia a causa delle onde gravitazionali emesse e per questo motivo si avvicinano, finendo per fondersi. Alcuni buchi neri ruotano con un asse di rotazione parallelo alla direzione del momento angolare orbitale (con lo stesso verso o con verso opposto), portando a una fusione “blanda” sul piano dell’orbita. Ma quando le rotazioni dei due buchi neri sono inclinate rispetto al momento angolare orbitale, l’orbita procede come una trottola che gira lungo un asse inclinato, in quella che prende il nome di precessione.

Se nei sistemi binari è presente una precessione, potrebbero verificarsi le risonanze spin-orbita. Ma il fatto che esista una precessione dipende dalla natura del meccanismo che ha portato alle supernove che hanno prodotto i buchi neri, a partire dai loro progenitori stellari. Se l’emissione della supernova non è simmetrica in tutte le direzioni, il buco nero nel momento in cui nasce risente di un rinculo che, se abbastanza grande, può portare a una risonanza spin-orbita. «Si tratta di configurazioni speciali in cui le direzioni di rotazione nel piano orbitale sono parallele o antiparallele», spiega Varma.

Si è sempre pensato che i rivelatori di onde gravitazionali Ligo e Virgo non fossero abbastanza sensibili da raccogliere prove di risonanze spin-orbita. Tuttavia, Varma e collaboratori hanno applicato due hack per rilevare questi indizi. In primo luogo, hanno considerato modelli surrogati nelle simulazioni di buchi neri, affermando che: «Questi modelli catturano accuratamente l’effetto degli spin dalle simulazioni numeriche, consentendoci di estrarre quante più informazioni possibili dalle osservazioni delle onde gravitazionali». In secondo luogo, i ricercatori hanno imparato a misurare gli spin appena prima della fusione dei buchi neri, piuttosto che misurarli su molte orbite prima della fusione. A questo metodo di misurazione dello spin poco prima della fusione è stato dedicato un articolo di accompagnamento, pubblicato su Physical Review D.

«Stiamo iniziando a sondare le risonanze spin-orbita, che inizialmente pensavamo fossero impossibili da rilevare fino all’arrivo dei rivelatori di prossima generazione negli anni ’30», conclude Varma. «La nostra speranza è che studiando queste risonanze spin-orbita, potremo saperne di più sul meccanismo delle supernove, che tuttora rimane un mistero».

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