Ripetute fusioni di buchi neri potrebbero avvenire negli ammassi globulari

Immagine di simulazione con una coppia di buchi neri (Immagine cortesia Northwestern Visualization/Carl Rodriguez)
Immagine di simulazione con una coppia di buchi neri (Immagine cortesia Northwestern Visualization/Carl Rodriguez)

Un articolo pubblicato sulla rivista “Physical Review Letters” descrive le simulazioni dell’evoluzione di ammassi globulari del tipo comunemente presente nelle galassie per valutare le possibilità di fusioni tra buchi neri. Un team guidato dall’astrofisico Carl Rodriguez del MIT ha usato il supercomputer Quest della Northwestern University per simulare 24 ammassi con diverse caratteristiche calcolando anche gli effetti relativistici concludendo che possono avvenire fusioni in serie formando buchi neri più massicci di quelli stellari.

L’interesse nei confronti delle fusioni tra buchi neri è aumentato enormemente nel corso degli ultimi due anni, dopo che l’esperimento LIGO ha annunciato la rilevazione di onde gravitazionali generate proprio da quel tipo di evento. Esso ha aperto le porte a un nuovo ramo dell’astronomia e ha confermato l’esistenza di buchi neri binari in cui due oggetti che costituiscono i resti di due stelle massicce esplose in supernove si legano gravitazionalmente fino a fondersi.

Capire meglio la formazione di queste coppie può aiutare anche lo sviluppo della nuova astronomia delle onde gravitazionali e il team di Carl Rodriguez ha provato a valutare le probabilità di trovarle negli ammassi globulari. Si tratta di un tipo di ammasso stellare dalla forma vagamente sferica con una densità di stelle relativamente elevata al suo centro. Questi ammassi sono tenuti assieme dalla forza di gravità e formano un gruppo quasi autonomo all’interno della galassia nella quale vengono considerati parte del suo alone.

La scelta degli ammassi globulari è dovuta anche al fatto che sembrano essere molto comuni: nella sola via Lattea ce ne sono oltre 150 ed è plausibile che altri siano nascosti alla vista, la galassia di Andromeda potrebbe averne anche 500, le galassie più massicce forse anche 10.000. Insomma, la quantità e le caratteristiche degli ammassi globulari li rendono perfetti per le ricerche sulle interazioni tra buchi neri.

Simulazioni di ammassi globulari sono già state create in passato, stavolta sono stati inclusi anche gli effetti dovuti alla relatività generale di Albert Einstein. Il problema è che normalmente nelle interazioni tra oggetti celesti i risultati ottenuti grazie alla teoria gravitazionale classica di Isaac Newton sono sufficientemente precisi ma quando ci sono di mezzo i buchi neri gli effetti relativistici diventano significativi.

Carl Rodriguez ha spiegato che le onde gravitazionali possono fare la differenza quando due buchi neri passano l’uno vicino all’altro. In quel momento vengono emesse quelle onde e ciò sottrae al sistema energia sufficiente a creare un legame tra i due buchi neri. Ciò significa che è necessario tenere conto di quell’effetto relativistico per ottenere una simulazione corretta.

I 24 ammassi globulari simulati contengono tra le 200.000 e i 2 milioni di stelle con diverse densità e composizione. La simulazione attraversa 12 miliardi di anni seguendo l’evoluzione delle stelle e quella dei buchi neri che si formano nel corso del tempo. Il risultato è che coppie di buchi neri cominciano a fondersi e successivamente incontrano altri buchi neri con ulteriori fusioni.

Secondo i ricercatori, questi buchi neri di “seconda generazione” possono avere masse tra 50 e 130 volte quella del Sole, molto superiore alla massa di un normale buco nero stellare. Questo risultato è puramente teorico ma la scommessa del team di Carl Rodriguez è che entro le prime 100 rilevazioni della collaborazione LIGO/VIGO uno dei buchi neri coinvolto nella fusione sarà il risultato di una fusione precedente.

Simulazione dell'incontro tra una coppia di buchi neri e un buco nero singolo (Immagine cortesia Carl Rodriguez/MIT)
Simulazione dell’incontro tra una coppia di buchi neri e un buco nero singolo (Immagine cortesia Carl Rodriguez/MIT)

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