Siamo sempre stati abituati a pensare che solo le stelle più grandi e massicce potessero formare buchi neri, alla fine della loro vita. Ma è davvero così? Ce lo spiega il gruppo di ricerca di Fabio Antonini dell’Università di Cardiff e i suoi colleghi delle università di Chicago, Oxford, Northwestern, e altre università europee. Lo studio, pubblicato su Nature Astronomy, analizza le onde gravitazionali prodotte da fenomeni transitori (Gwtc4) rilevati da Ligo-Virgo-Kagra, concentrandosi sugli oggetti più massicci del catalogo.
Lo studio si basa sull’esistenza di un gap di massa – una regione proibita nella distribuzione delle masse dei buchi neri, compresa tra circa 45 e 130 masse solari. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, il gap non riguarda le stelle di massa troppo bassa, bensì quelle troppo massicce: superata una certa soglia, invece di collassare in un buco nero di prima generazione, la stella viene distrutta dall’instabilità di coppia, senza lasciare alcun residuo.
«L’astronomia delle onde gravitazionali non si limita più a contare le fusioni di buchi neri», spiega Antonini, primo autore dello studio. «Sta iniziando a svelare come crescono i buchi neri, dove crescono e cosa questo ci dice sulla vita e la morte delle stelle massicce. È entusiasmante perché possiamo utilizzare queste informazioni per verificare la nostra comprensione di come le stelle e gli ammassi si evolvono nell’universo».
A circa 28 mila anni luce di distanza, l’ammasso globulare M80 ospita centinaia di migliaia di stelle tenute insieme dalla forza di gravità. Ambienti così densi possono favorire la crescita dei buchi neri attraverso fusioni successive.
Crediti: Nasa, Esa, Stsci e A. Sarajedini (Università della Florida)
Eppure, i rilevatori hanno captato segnali di buchi neri con masse ben superiori alle 45 masse solari. Questi sono buchi neri di seconda generazione cioè prodotti per merging (fusione) di buchi neri più piccoli in regioni ad alta densità come gli ammassi globulari.
«Gli ammassi stellari densi costituiscono un ambiente in grado di ospitare oggetti di seconda generazione in modo tale da determinare la distribuzione di spin, oltre a generare naturalmente buchi neri nel gap di massa» spiega il coautore Yonadav Barry Ginat. «C’è anche una caratteristica evidente nella distribuzione delle masse che appare a questa massa di transizione: la curvatura della distribuzione cambia, riflettendo l’assenza di buchi neri di prima generazione e l’emergente preminenza di quelli di seconda generazione. Abbiamo scoperto che questo cambiamento di curvatura è esattamente ciò che ci si aspetterebbe se questi buchi neri provenissero effettivamente da ammassi densi».
Gli autori sono riusciti a distinguere queste due popolazioni studiando lo spin dei buchi neri: quelli di prima generazione hanno una rotazione mediamente bassa, mentre quelli di seconda generazione hanno uno spin molto elevato e con orientamenti casuali, dovuti al merging di buchi neri diversi.
Infine, lo studio evidenzia come il confine del gap di massa sia dettato dalla fisica dell’evoluzione stellare, in particolare dalle abbondanze relative di carbonio e ossigeno nei nuclei delle stelle molto massicce prima del collasso. Nei nuclei delle stelle massicce, durante la fusione dell’elio, il carbonio si fonde con l’elio producendo ossigeno; la velocità con cui avviene questa reazione determina l’equilibrio finale tra i due elementi. Misurando questo tasso tramite le onde gravitazionali, i ricercatori hanno ottenuto una chiave di lettura per indicare esattamente quali stelle, alla fine della loro vita, potranno collassare in buchi neri.
«Uno degli aspetti più interessanti di questo studio è che le onde gravitazionali potrebbero iniziare a fornire informazioni su processi di fisica nucleare che avvengono nel cuore delle stelle massicce», conclude Antonini. «In particolare, il tasso della reazione tra carbonio e ossigeno influenza in modo cruciale la formazione dei buchi neri osservati dagli interferometri gravitazionali. La connessione che emerge dal nostro lavoro è ancora preliminare, perché dipende da modelli astrofisici con importanti incertezze. Tuttavia, questi risultati aprono la possibilità che, in futuro, le onde gravitazionali possano diventare uno strumento complementare per studiare l’evoluzione stellare e i processi nucleari nei nuclei delle stelle».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo: “Gravitational-wave constraints on the pair-instability mass gap and nuclear burning in massive stars” di Fabio Antonini, Isobel M. Romero-Shaw, Thomas Callister, Fani Dosopoulou, Debatri Chattopadhyay, Yonadav Barry Ginat, Mark Gieles & Michela Mapelli