Non tutte le stelle massicce finiscono la loro vita con una grande esplosione. Alcune potrebbero collassare silenziosamente su sé stesse, senza dare origine a una supernova, trasformandosi direttamente in buchi neri. È un’ipotesi teorica da tempo discussa dagli astrofisici, ma finora difficile da verificare: una stella che collassa senza esplodere è, infatti, come una lampadina che si spegne. Lascia solo buio.
Queste immagini, scattate dal telescopio spaziale Hubble della Nasa nel 2007 e nel 2015, mostrano un esempio di stella che si ritiene sia morta a seguito di una supernova fallita. La stella gigante N6946-BH1 è visibile prima e dopo la sua scomparsa, probabilmente in seguito all’implosione che ha portato alla formazione di un buco nero. Crediti: Nasa/Esa/C. Kochanek (Osu)
Ora, nuovi indizi a sostegno di questa possibilità giungono dalle osservazioni della rete di rivelatori di onde gravitazionali Ligo–Virgo–Kagra, dalle quali emergerebbe una popolazione di buchi neri con caratteristiche simili a quelle attese da queste “supernove fallite”. I risultati sono stati pubblicati questa settimana sulla rivista Physical Review D.
L’idea è che una parte dei buchi neri osservati mentre si fondono con un compagno abbia un’origine diversa. In particolare, potrebbero essersi formati dal collasso diretto di una stella molto massiccia, che non sarebbe quindi esplosa disperdendo nello spazio i propri strati esterni. Per cercare prove di questa origine, il gruppo ha esaminato le masse di 257 coppie di buchi neri osservate negli ultimi dieci anni dalla rete internazionale di interferometri. Il risultato più evidente è un picco nella distribuzione: circa tre quarti dei sistemi analizzati coinvolgono buchi neri con una massa intorno a dieci volte quella del Sole. Al contrario, i buchi neri con masse comprese tra 12 e 16 volte quella solare risultano insolitamente rari.
«Osserviamo continuamente fusioni di buchi neri con una massa pari a dieci masse solari», spiega Isaac Legred, primo autore dello studio. «Ma perché, per esempio, i buchi neri da 14 masse solari sono così rari?».
Questo grafico mostra i tassi di fusione tra coppie di buchi neri (asse y) in funzione della massa del buco nero più massiccio della coppia (asse x), come desunto dai dati sulle onde gravitazionali. Il grafico mette a confronto due modelli — entrambi mostrano un picco a 10 masse solari — ma differiscono per la presenza di un intervallo di massa compreso tra 12 e 16 masse solari (linea blu) o meno (linea gialla). Il modello blu rappresenta una previsione relativa a una popolazione di buchi neri formatisi a seguito di supernove fallite: il tasso di fusioni è molto più basso tra le 12 e le 16 masse solari, il che implica che i buchi neri che si fondono non si formino in modo efficiente in quell’intervallo di massa. I dati sulle onde gravitazionali raccolti da Ligo, Virgo e Kagra avvalorano il modello delle supernove fallite. Crediti: Università dell’Illinois a Urbana-Champaign/Isaac Legred
La distribuzione delle masse, secondo i ricercatori, potrebbe riflettere processi fisici specifici che intervengono durante la formazione di questi oggetti. Le proprietà dei sistemi binari di buchi neri, infatti, portano sia i segni lasciati dal processo attraverso il quale le stelle progenitrici sono morte, dando origine ai buchi neri osservati, sia quelli dell’ambiente in cui i sistemi binari si sono formati ed evoluti. Nel caso di buchi neri con una massa di circa dieci volte quella del Sole, le teorie prevedono che possano essere generati da stelle massicce con nuclei ultracompatti tramite collasso diretto. Ma non è l’unico indizio. Il team ha analizzato anche la velocità di rotazione dei buchi neri, un’altra proprietà in grado di conservare informazioni sulla loro origine. Anche in questo caso è emersa una differenza: i buchi neri con una massa intorno a dieci masse solari mostrano un intervallo di velocità di rotazione più ristretto rispetto a quello osservato nell’intera popolazione.
La combinazione di queste caratteristiche, secondo gli autori, suggerisce che non si tratti semplicemente di una presenza particolarmente numerosa nella popolazione generale dei buchi neri, ma di un gruppo distinto, forse accomunato dallo stesso processo di formazione. Un processo che potrebbe essere proprio il collasso diretto di stelle massicce, senza una precedente esplosione di supernova.
Finora, tuttavia, non sono stati identificati casi certi di supernove fallite. Individuarle direttamente è particolarmente difficile, perché, in assenza di un’esplosione, non c’è un improvviso aumento di luminosità da osservare: la stella semplicemente scompare. Le onde gravitazionali potrebbero offrire una strada alternativa, permettendo di ricostruire le proprietà dei buchi neri nati da questi eventi attraverso le loro successive fusioni.
I risultati dello studio non costituiscono una prova diretta dell’esistenza di supernove fallite, ma mostrano che le osservazioni disponibili sono compatibili con le previsioni teoriche. Serviranno ulteriori ricerche per stabilire se questa interpretazione sia corretta. Come sottolinea Legred, comprendere meglio come nascono i buchi neri significa avvicinarsi alla comprensione di alcuni degli ambienti più estremi dell’universo.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review D l’articolo “Low-mass failed supernovae and the 10⊙ peak in the merging black hole mass distribution“, di Isaac Legred, Jacob Golomb e Katerina Chatziioannou