Qual è la forma dell’orbita di un buco nero e di una stella di neutroni che stanno per fondersi? Non necessariamente circolare: può essere anche ellittica. Lo ha scoperto un team di scienziati dell’Università di Birmingham (Regno Unito), dell’Università Autonoma di Madrid e del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Germania). Il risultato, pubblicato oggi su The Astrophysical Journal Letters, è arrivato attraverso l’osservazione di onde gravitazionali, da cui si possono scoprire molte informazioni riguardanti l’ambiente astrofisico che circonda il sistema binario. Informazioni come l’eccentricità orbitale, ossia quanto l’orbita è ovale, e la precessione orbitale indotta dallo spin relativistico generale.
Rappresentazione artistica di un sistema binario con orbita eccentrica formato da una stella di neutroni e un buco nero. Il percorso della stella di neutroni è mostrato in blu e il moto del buco nero in arancione, mentre i due oggetti orbitano l’uno attorno all’altro. L’eccentricità qui mostrata è esagerata rispetto al sistema reale, Gw 200105, per rendere più chiaro l’effetto sul moto orbitale. Crediti: Geraint Pratten, Royal Society University Research Fellow, University of Birmingham
La teoria fin ora conosciuta prevedeva che l’orbita di un sistema binario buco nero-stella di neutroni (Nsbh), appena prima della fusione, fosse perfettamente circolare. Il risultato della nuova ricerca mette quindi in dubbio le nostre conoscenze, riaprendo il campo a nuove ipotesi su come queste coppie cosmiche si formino ed evolvano.
«A svelare il segreto è proprio l’orbita», dice Geraint Pratten, ricercatore dell’Università di Birmingham e coautore dell’articolo. «La sua forma ellittica appena prima della fusione mostra che questo sistema non si è evoluto isolato da tutto il resto, ma è stato quasi certamente plasmato dalle interazioni gravitazionali con altre stelle, o forse con una terza compagna».
Lo studio è stato condotto attraverso i dati raccolti da Ligo e Virgo sull’evento di fusione denominato Gw 200105. Questi dati sono poi stati analizzati attraverso un nuovo modello di onde gravitazionali sviluppato all’Institute of Gravitational Wave Astronomy dell’Università di Birmingham: un modello adatto a sistemi con stelle binarie di neutroni di piccola massa che ha permesso, per la prima volta, di misurare insieme sia l’ellitticità dell’orbita sia la precessione.
Attraverso il confronto con migliaia di previsioni teoriche e dati reali si può confermare che la possibilità che l’ellitticità dell’orbita sia dovuta a rumore di fondo è da escludere al 99.5 per cento. Non essendo state trovate prove convincenti di precessione, che avrebbero suggerito un effetto dovuto allo spin relativistico, gli autori dello studio ritengono che l’eccentricità dell’orbita sia stata impressa sul sistema sin dalla sua formazione.
«Questa è una prova convincente che non tutte le coppie stella di neutroni-buco nero condividono la stessa origine», osserva a questo proposito il primo autore dello studio, Gonzalo Morras, dell’Università Autonoma di Madrid e del Max Planck Institute for Gravitational Physics. «L’orbita eccentrica suggerisce un luogo di nascita in un ambiente in cui molte stelle interagiscono gravitazionalmente».
Il nuovo studio inoltre, tenendo conto sia dell’ellitticità che della precessione, ha consentito di correggere la stima delle masse dei due oggetti, favorendo una stella di neutroni più leggera e un buco nero più pesante: in precedenza i valori trovati erano, rispettivamente, di 8.9 e 1.9 masse solari, mentre la nuova stima è di 11,5 masse solari per il buco nero e di 1,5 masse solari per la stella di neutroni. Valori consistenti con modelli, come dicevamo, adatti a sistemi con stelle binarie di neutroni di piccola massa, come quello adottato dagli autori dello studio.
Comprendere la formazione e l’evoluzione dei buchi neri di massa stellare e delle stelle di neutroni rimane una delle sfide più urgenti dell’astrofisica moderna. Sebbene siano stati proposti numerosi percorsi evolutivi, i meccanismi esatti che danno origine ai sistemi binari Nsbh non sono ancora completamente compresi. Identificare un percorso di formazione univoco avrebbe profonde implicazioni per la fisica stellare e l’evoluzione binaria. Rilevare questi sistemi binari nello spettro elettromagnetico rimane una sfida, con solo pochi possibili candidati identificati. Le osservazioni delle onde gravitazionali ci offrono quindi un’opportunità fondamentale per caratterizzare i canali di formazione astrofisica.
Ci si aspetta che importanti implicazioni siano rilevabili nelle future osservazioni di onde gravitazionali, inclusa la prossima generazione di osservatori terrestri e a frequenze di mHz in osservatori spaziali come Lisa.
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal Letters l’articolo “Orbital eccentricity in a neutron star – black hole binary merger”, di Gonzalo Morras, Geraint Pratten e Patricia Schmidt