Collisioni cosmiche di buchi neri


Convinto che sia tutto collegato e in relazione, lo sherpa questa volta spicca letteralmente il volo per immergersi nello spazio profondo, fra buchi neri, galassie e onde gravitazionali. Complici, due giovani astrofisici del SISSA, la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste.


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Le onde gravitazionali sono delle perturbazioni (invisibili) dello spaziotempo che si generano quando oggetti con enormi masse variano la loro distribuzione di massa in modo repentino. Al loro passaggio, lo spazio e il tempo vengono deformati, quindi si ha un accorciamento e un successivo allungamento delle distanze tra gli oggetti. Per poter misurare queste variazioni utilizziamo degli appositi strumenti chiamati interferometri che, sfruttando dei laser, misurano la lunghezza di due «bracci» in maniera estremamente precisa. Al passaggio di un’onda gravitazionale, la lunghezza dei bracci varia di solo un millesimo del diametro di un protone, ma nonostante ciò la tecnologia moderna ci permette di rilevare questi spostamenti infinitesimi.

Infatti, quasi 6 anni fa, la collaborazione scientifica internazionale LIGO-Virgo ha an- nunciato la rilevazione di un’onda gravitazionale, per la prima volta da quando Einstein ne teorizzò l’esistenza un secolo fa utilizzando unicamente le equazioni della teoria della relatività generale. Le onde gravitazionali del primo evento furono generate dalla fusione di due buchi neri di massa pari a circa 30 volte quella del nostro sole (o masse solari) a circa 1 miliardo di anni-luce (diecimila miliardi di miliardi di chilometri) dalla Terra. A oggi, abbiamo almeno 90 rilevamenti e sempre più domande riguardo la natura degli oggetti astrofisici coinvolti in questi scontri tra giganti. I protagonisti principali di tali eventi sono i già famosi buchi neri. Come suggerisce il nome stesso, i buchi neri sono oggetti astrofisici difficili da osservare: come è noto quasi tutti i corpi celesti vengono osservati grazie alla loro luce, emessa direttamente, come nel caso delle stelle, o riflessa, come nel caso della luna o dei pianeti. Invece, i buchi neri né emettono né riflettono luce e infatti, la loro forza di attrazione gravitazionale è tale da far sì che riescano a inglobare tutto ciò che passi abbastanza vicino a loro (infatti si chiamano «buchi»); perfino la luce non riesce a sfuggirgli ed è per questo che gli viene attribuito l’aggettivo «neri».


La nascità dei buchi neri

Ma come si formano i buchi neri? I buchi neri sono il residuo dell’esplosione di alcuni tipi di stelle: le stelle con una massa superiore alle 25 masse solari. Durante la loro intensa, ma breve vita, stelle con tali masse bruciano nel loro nucleo elementi chimici sempre più pesanti emettendo centinaia di volte la luminosità del nostro sole ma solamente per alcune decine di milioni di anni. Il bruciamento altro non è che la fusione nucleare di nuclei atomici (come, ad esempio, l’idrogeno e l’elio), un processo che emette grandi quantità di energia dal centro verso gli strati più esterni della stella. Il flusso di energia che si genera tende a «spingere» la massa della stella verso l’esterno, opponendosi alla forza di gravità che invece tenderebbe a far collassare la stella sul proprio nucleo. Grazie a questo bilanciamento di forze opposte, la stella rimane in equilibrio fino all’esaurimento del combustibile nucleare a disposizione, che avviene quando il nucleo stellare è composto principalmente da ferro. Per questo elemento, infatti, la fusione nucleare non è più efficiente, ovvero invece che produrre energia ne assorbirebbe, al contrario dei nuclei più leggeri. Giunti in questa condizione, il collasso diventa inevitabile, dato che manca la «spinta» verso l’esterno. La stella si contrae e successivamente espelle violentemente nello spazio i suoi strati piu’ esterni in un’esplosione chiamata Supernova. Quel che rimane del nucleo della stella dopo il collasso è proprio un buco nero.


La famiglia dei buchi neri

In astrofisica, i buchi neri vengono classificati in base alla loro massa. Ci sono i buchi neri stellari, con masse comprese tra le 3 e le 100 masse solari, che possono essere il diretto prodotto della morte di una stella massiccia. Poi, ci sono i buchi neri di massa intermedia (fino a circa 10000 volte la massa del sole) e quelli super massicci, che possono raggiungere facilmente le decine di milioni di masse solari. I buchi neri super massicci hanno la peculiarità di essere stati osservati al centro delle galassie. Ciò avviene anche nel caso della nostra galassia, la Via Lattea, al centro della quale si trova un buco nero super massiccio con una massa di circa 4 milioni di masse solari. Il buco nero più massiccio mai osservato ha circa 34 miliardi di masse solari. L’origine di questi giganteschi oggetti è tutt’oggi oggetto di discussione e l’ipotesi più accreditata è che si siano formati molto presto nell’universo e che poi siano cresciuti «mangiando» gas, stelle e propri simili. L’esistenza dei buchi neri di massa intermedia invece è ancora avvolta dal mistero. Infatti, fino a qualche anno fa diversi studi astrofisici sostenevano che buchi neri con masse tra le 50 e le 150 masse solari non avrebbero proprio dovuto formarsi in natura, ma, come vedremo tra poco, una recente scoperta ha smentito quest’ipotesi.


Come osserviamo i buchi neri?

Osservare questi oscuri corpi celesti è estremamente più complesso rispetto a oggetti che emanano luce propria come le stelle, e l’unico modo che abbiamo per «osservarli» è di farlo tramite osservazioni indirette. Ad esempio, la prima osservazione di un buco nero (Cygnus X-1) è stata fatta osservando il gas, proveniente da una stella vicina, che vi stava cadendo all’interno. Infatti, il gas si scalda durante la caduta ed emette radiazioni X che sono rilevabili da appositi telescopi.


Dalle onde gravitazionali al nostro lavoro

L’osservazione di onde gravitazionali è considerata una delle più grandi imprese scientifiche di questo secolo ed è valsa un premio Nobel nel 2017 ai fisici Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne. Tra i risultati ottenuti, uno dei più sorprendenti è stato l’osservazione di buchi neri di masse diverse da quelle aspettate e teorizzate fino a quel momento: il 2 settembre 2020, infatti, è stata annunciata l’osservazione della fusione di due buchi neri di circa 66 e 85 masse solari in un oggetto di 142 masse solari (una parte della massa è sparita in pura energia a causa dell’intensità di tale evento). La scoperta di tali oggetti ha fatto sì che moltissimi scienziati si concentrassero sull’investigare sul come e sul dove i buchi neri di tale massa potessero formarsi. Tra gli ambienti astrofisici in cui questo tipo di evento accade con maggiore frequenza ci sono gli ammassi stellari: gruppi di stelle (dalle migliaia ai milioni) che spesso orbitano intorno alle galassie. Gli ammassi stellari sono estremamente densi e caotici, e al loro interno si tendono a formare molti sistemi binari (con due stelle o buchi neri). Sono proprio questi sistemi binari, formati da due buchi neri, che potrebbero spiegare l’esistenza di buchi neri di massa intermedia.

La fisica che governa questo tipo di sistemi è tutt’altro che banale, motivo per cui tutt’oggi il tema è di forte interesse per la comunità scientifica specializzata in questi temi. Inoltre, le osservazioni e i dati non sono sufficienti per poter comprendere in maniera soddisfacente cosa accade in questi lontanissimi sistemi. Anche noi, in SISSA (Scuola Internazionale Superiore degli Studi Avanzati) siamo fortemente coinvolti in questo dibattito e cerchiamo di dare il nostro contributo approfondendo l’argomento da diversi punti di vista: studiamo, infatti, gli ammassi stellari tramite simulazioni numeriche che girano su super-computer, in modo da poter investigare al meglio la formazione dei buchi neri all’interno di questi sistemi complessi. Nelle nostre simulazioni, inseriamo i dati delle stelle dentro l’equazione della gravità che Newton scoprì, secondo leggenda, grazie alla fantomatica mela che gli cadde in testa. Calcolando «numero per numero» l’equazione, il computer predice a meno di approssimazioni il movimento delle stelle e quindi l’evoluzione dell’intero ammasso stellare, e infine predice quando i buchi neri si scontrano. Tutto questo non è un lavoro banale, ci possono volere mesi per simulare gli ammassi più grossi ed è per questo motivo che stiamo implementando simulazioni eseguibili sui processori grafici (GPU), che sono quegli stessi chip usati dai videogiochi. Programmare su GPU è estremamente complesso ma permette di eseguire grosse simulazioni in tempi molto minori rispetto ai normali processori (CPU).

Questo, però, è solo l’inizio: sappiamo ancora troppo poco di questi scontri tra buchi neri dal punto di vista astrofisico e, a oggi, abbiamo decisamente poche osservazioni di onde gravitazionali. Nei prossimi anni avremo strumenti che saranno ancora più sensibili ai segnali provenienti dalla fusione di buchi neri, tra questi il Telescopio Einstein, i cui lavori di costruzione cominceranno entro il decennio e che, forse, sarà costruito nel centro della Sardegna.



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Mattia Mencagli, Phd Student - Gruppo di Astrofisica e Cosmologia, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA - Trieste)


Mario Spera, Assistant Professor - Gruppo di Astrofisica e Cosmologia alla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA - Trieste)