(Nella foto - Rappresentazione artistica di buchi neri che stanno per collidere (fonte: Simulating eXtreme Spacetimes Lensing (SXS)/Wikipedia)
Corrispondono a 40 collisioni, registrate da Virgo e Ligo.
Un centinaio di 'cinguetii' generati in sette mesi da 40 collisioni fra buchi neri, per un totale di un centinaio di quesi mostri cosmici: è il bilancio del nuovo catalogo dei segnali registrati tra aprile e ottobre 2019 dall'osservatorio americano Ligo e dall'europeo Virgo. I dati sono pubblicati sul sito ArXiv, che traccia gli articoli scientifici prima della revisione in vista della pubblicazione ufficiale.
Ci è voluto un anno intero ai ricercatori del network Virgo/Ligo per esaminare tutti i segnali gravitazionali e gli eventi cosmici registrati. Si tratta di 36 fusioni di buchi neri, una probabile fusione di un sistema binario di stelle di neutroni e due sistemi probabilmente composti da un buco nero e una stella di neutroni.
Dei 39 eventi presenti nel Catalogo, 13 sono pubblicati oggi per la prima volta, portando a 11 gli eventi di onde gravitazionali rilevati complessivamente da Ligo e Virgo. Il Catalogo pubblicato oggi offre, per la prima volta, un quadro completo del vasto numero dei segnali gravitazionali registrati e delle loro fonti. Da agosto 2017 ad aprile 2019 la sensibilità dei tre rilevatori è infatti migliorata notevolmente, permettendo a Virgo di osservare un volume di universo quasi 10 volte maggiore che nelle precedenti osservazioni.
(Localizzazione degli eventi che hanno prodotto segnali di onde gravitazionali (fonte: LIGO/VIRGO)
I risultati del Catologo sollevano diverse domande sulla
validità di alcuni modelli astrofisici, che finora sembravano plausibili sulla massa dei buchi neri. Alcuni buchi neri osservati per esempio hanno una massa tra le 65 e 120 masse solari, incompatibile con i modelli di evoluzione stellare, secondo cui le stelle molto massicce, oltre una certa soglia, vengono distrutte completamente dall'esplosione di una supernova.
Ciò suggerisce che vi siano altri meccanismi di formazione dei buchi neri. "Stiamo già analizzando i risultati della seconda parte del terzo periodo di osservazione - commenta Giovanni Losurdo, ricercatore dell'Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) e portavoce di Virgo - e lavorando per migliorare la sensibilità di Virgo nel 2022".
Rappresentazione artistica dello scontro tra due buchi neri (Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery - OzGrav)
Il loro turbolento incontro 7 miliardi di anni fa produsse un buco nero ancora più grande, ma non è la parte più strana e sorprendente di questa storia.
Sette miliardi di anni fa, due buchi neri entrarono in collisione tra loro producendo un gigantesco scontro. Le tracce di quell’evento, avvenuto a miliardi di chilometri di distanza dalla Terra, sono state rivelate di recente da un gruppo di ricercatori e offrono nuovi spunti e interrogativi sui buchi neri, gli oggetti più affascinanti e per molti versi misteriosi dell’Universo.
Uno dei due buchi neri aveva una massa circa 66 volte quella del nostro Sole, mentre l’altro era ancora più massiccio e si stima avesse circa 85 volte la massa della nostra stella. Si avvicinarono inesorabili avvitandosi l’uno sull’altro, fino a fondersi insieme liberando una colossale quantità di energia che iniziò ad attraversare l’Universo e che sarebbe stata poi rivelata dagli astrofisici dei nostri giorni. Da quell’immenso incidente nacque un nuovo buco nero, ancora più grande e con una massa stimata in circa 142 volte quella del nostro Sole. Nel caso in cui a questo punto ve lo stiate chiedendo: il Sole ha una massa di 2mila miliardi di miliardi di miliardi di chilogrammi, da sola costituisce il 99,9 per cento circa di quella complessiva del nostro sistema solare.
Gli astrofisici sanno da tempo che i buchi neri si possono scontrare tra loro, e infatti la scoperta del nuovo scontro è importante per un altro motivo: ha offerto una prima chiara occasione per rivelare la nascita di un buco nero di massa intermedia, una classe di questi oggetti piuttosto sfuggente. Grazie ai progressi ottenuti negli ultimi decenni, gli astrofisici hanno migliorato le loro capacità per scovare gli indizi sull’esistenza dei buchi neri di piccole dimensioni (con una massa tra le 5 e le 100 volte quella del Sole) e dei buchi neri supermassicci (che si trovano di solito al centro delle galassie e con masse milioni o miliardi di volte quella del Sole), mentre finora avevano avuto meno fortuna con i buchi neri intermedi, e che hanno una massa tra 100 e 100.000 volte quella del Sole.
In passato alcune misure avevano consentito di indicare la probabile esistenza di alcuni buchi neri intermedi, ma senza successive conferme per fugare i dubbi. Trovarli e studiarli è però molto importante, perché le loro caratteristiche potrebbero aiutare gli astrofisici a comprendere in generale le qualità e il comportamento dei buchi neri.
La scoperta del grande scontro, e della nascita del nuovo buco nero intermedio, è stata pubblicata questa settimana sulle riviste scientifiche The Astrophysical Journal Letters e su Physical Review Letters ed è stata resa possibile dall’osservazione delle onde prodotte dalla fusione dei due buchi neri. Questi scontri sono infatti talmente energetici da creare scossoni nello spazio-tempo, producendo increspature che si diffondono alla velocità della luce nell’Universo. Queste “onde gravitazionali” (qui le avevamo raccontate più estesamente, se siete confusi) ci arrivano quando sono ormai estremamente deboli, al punto da essere molto difficili da rilevare.
Dalla prima volta in cui sono riusciti a farlo nel 2015, gli astrofisici sono diventati abili cacciatori di onde gravitazionali grazie agli osservatori LIGO negli Stati Uniti e Virgo in Italia, registrando circa 70 eventi distinti. Quello dell’attuale ricerca, chiamato GW190521, era stato osservato il 21 maggio dello scorso anno, debole al punto da rischiare di passare inosservato. Utilizzando alcuni modelli al computer, i ricercatori sono riusciti a ricostruire le masse coinvolte nell’evento e la quantità di energia prodotta. Nello scontro, scrivono nella loro analisi, una massa pari a più di 7 volte quella del Sole fu rilasciata sotto forma di energia in poche frazioni di secondo.
La pubblicazione della ricerca ha attirato grande interesse tra gli studiosi di buchi neri, ma ha anche fatto sollevare qualche perplessità. Secondo alcuni, le onde gravitazionali rivelate sarebbero state prodotte dal collasso di una stella o da un altro evento cosmico di dimensioni contenute, considerata la loro debolezza. Gli autori della ricerca non escludono questa circostanza, ma ritengono che comunque la spiegazione dello scontro tra due buchi neri sia la più logica, sulla base dei dati in loro possesso.
Il nuovo studio potrebbe aiutare a spiegare alcune caratteristiche dell’Universo in relazione ai buchi neri: ce ne sono molti di piccoli e sparpagliati – che si sono formati in seguito al collasso gravitazionale di una stella massiccia alla fine della propria evoluzione (durante un’esplosione come supernovae) – e una quantità più contenuta di supermassicci al centro delle galassie. Una delle ipotesi più condivise è che questi ultimi si formino man mano che collidono e si fondono tra loro i buchi neri di dimensioni più piccole. Se così fosse, però, dovrebbero allora esserci buchi neri di dimensioni intermedie, cioè quelli in fase di accrescimento e che infine diventeranno supermassicci: trovarli si era rivelato finora estremamente difficile.
I ricercatori confidano di poter trovare presto nuove tracce della fusione di buchi neri che porta alla produzione di quelli intermedi. Nei prossimi mesi LIGO e Virgo saranno riavviati, dopo essere stati sottoposti ad alcune attività di manutenzione e potenziamento che hanno reso i loro sistemi ancora più sensibili. Una volta attivi, potrebbero aiutarci a capire qualcosa di più su tutto quello che ci sta intorno, anche a miliardi di anni luce da qui.
in foto: Credit: LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State / Aurore Simonnet Annunciata la scoperta di quattro nuove onde gravitazionali, una delle quali – chiamata GW170729 – è stata causata dalla collisione di due buchi neri, rispettivamente con 50 e 34 masse solari. Il catastrofico evento si sarebbe verificato 5 miliardi di anni fa, per questa ragione il segnale registrato dagli interferometri risulta essere molto debole. Gli scienziati hanno annunciato di aver rilevato altre quattro onde gravitazionali, le “increspature” dello spazio-tempo scaturite da fenomeni astronomici come la collisione fra due buchi neri. Con le nuove scoperte il computo totale delle onde gravitazionali individuate sale così a 11, da quando nel 2015 fu intercettata la prima. Dall'analisi dettagliata dei nuovi segnali, quello intercettato il 29 luglio del 2017 risulta essere il più debole del lotto a causa della distanza temporale, tuttavia è associato anche alla più potente esplosione gravitazionale mai rilevata. GW170729, questo il nome tecnico del segnale, sarebbe infatti stato determinato dalla collisione fra due giganteschi buchi neri, uno con una massa pari a 50 volte quella del Sole e uno con massa pari a 34 volte quella solare. Nonostante il catastrofico impatto tra i due misteriosi “cuori di tenebra”, il segnale registrato dagli strumenti è stato debolissimo poiché sarebbe avvenuto ben 5 miliardi di anni fa, quando la Terra non si era ancora formata. A causa dell'impercettibilità delle onde gravitazionali servono eventi che sprigionano tantissima energia e strumenti sofisticati (chiamati interferometri) in grado di rilevare le piccole perturbazioni dello spazio-tempo che essi producono. Gli strumenti che hanno intercettato gli undici segnali sono l'americano LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e l'italiano VIRGO, installato nel comune di Cascina in provincia di Pisa. Al momento entrambi gli interferometri sono sotto manutenzione, ma a partire dalla primavera del prossimo anno saranno più potenti, precisi e sensibili, dunque in grado di intercettare altri di questi preziosissimi segnali. Basti pensare che la scoperta della prima onda gravitazionale è valsa il Nobel per la Fisica 2017 agli scienziati Kip Thorne, Rainer Weiss e Barry Barish. Non tutte le onde gravitazionali rilevate sono uguali, come sottolineato dalla dottoressa Viviana Fafone, responsabile nazionale dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) per la collaborazione Virgo: “Abbiamo rivelato dieci segnali di onde gravitazionali emessi dalla fusione di coppie di buchi neri di massa stellare, e un segnale prodotto dalla fusione di un sistema binario di stelle di neutroni”. Il segnale classificato con GW170817 è quello relativo all'unico evento legato alla collisione tra stelle di neutroni, astri densissimi composti da materia degenere trattenuta dalla forza di gravità. I dettagli sugli undici segnali rilevati sono stati presentati in seno al Gravitational Waves Physics and Astronomy Workshop, meeting in corso di svolgimento presso l'Università del Maryland, negli Stati Uniti. https://scienze.fanpage.it/rilevate-quattro-nuove-onde-gravitazionali-e-una-potentissima-collisione-tra-due-buchi-neri/
Per la prima volta nella storia è stata rivelata un'onda prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni e captata, dalle onde radio fino ai raggi gamma, la radiazione elettromagnetica associata. Il traguardo apre a numerose nuove scoperte.
L’astronomia sta per essere rivoluzionata. Per la prima volta nella storia, infatti, è stato catturato il segnale generato dalla fusione di due stelle di neutroni, così dense da costituire uno stato estremo della materia. Un traguardo reso possibile dai rivelatori a onde gravitazionali Ligo e Virgo e da 70 telescopi da Terra e spaziali, che aprono le porte a una vera e propria cascata di scoperte scientifiche. Grazie a queste rivelazioni, ad esempio, potrà essere confermata la teoria della relatività di Einstein che, oltre un secolo fa, sosteneva che le onde gravitazionali viaggiassero alla velocità della luce. Ma sarà anche possibile svelare il processo che porta alla formazione di metalli pesanti come oro, platino e uranio.
Astronomia "multimessaggero".
Nello specifico è stata rilevata un'onda gravitazionale prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni ed è stata captata, dalle onde radio fino ai raggi gamma, la radiazione elettromagnetica associata alla poderosa esplosione avvenuta durante il fenomeno. Quello registrato è il primo evento cosmico nel quale vengono osservate sia onde gravitazionali che elettromagnetiche, avviando così l'era dell'astronomia "multimessaggero". Di fatto di una "nuova" disciplina che sfrutta osservazioni basate su segnali di tipo diverso e che estende notevolmente il nostro modo di "vedere" e "ascoltare" il cosmo. La scoperta è stata realizzata grazie alla sinergia tra le osservazioni nella banda elettromagnetica, realizzate da 70 telescopi a terra e nello spazio, e due osservatori: il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory(Ligo) negli Stati Uniti e il rilevatore europeo Virgo, che si trova nel nostro Paese e al quale l'Italia partecipa con l'Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn).
L’esplosione.
La fusione delle stelle di neutroni è avvenuta alla distanza di 130 milioni di anni luce dalla Terra, nella periferia della galassia NGC 4993, nella costellazione dell'Idra.Dall'esplosione è cominciata la corsa dei due segnali, che fisici e astrofisici sono riusciti a captare anche grazie a un lampo gamma avvistato dal satellite Fermi della Nasa, al quale l'Italia partecipa con l'Agenzia spaziale italiana (Asi). Un'avvistamento che ha consetito di fare una grande scoperta: la luce del lampo, stando alle rilevazioni, sarebbe arrivata 1,7 secondi dopo la registrazione dell'onda gravitazionale. Una differenza "calcolata in un numero estremamente piccolo" che confermerebbe che le due velocità sostanzialmente si equivalgono, dando ragione ai calcoli di Einstein nella sua teoria della relatività.
Svelato il mistero della genesi dei metalli pesanti.
L'osservazione della fusione della coppia di stelle di neutroni ha permesso agli astrofisici di cominciare a comprendere anche come si formano nell'universo i metalli più pesanti, come oro e platino. Dopo aver captato le onde gravitazionali e il lampo gamma, gli astrofisici sono riusciti ad individuare la posizione e puntare i telescopi spaziali in direzione delle due entità che sono così dense da essere considerate l'anticamera dei buchi neri. In questo modo sono riusciti a registrare la fusione della coppia di stelle nella luce visibile osservando i segnali spia della formazione dei metalli pesanti.
L'annuncio in contemporanea in Italia,
Europa e Usa. L'annuncio della nuova fondamentale scoperta, in cui l'Italia ha giocato un ruolo fondamentale, è stato dato in contemporanea nel corso di tre conferenze stampa simultanee organizzate a Washington dalla National Science Foundation, in Germania dall'Osservatorio Europeo Australe (Eso), e a Roma dal Miur in collaborazione con l'Infn, l'Istituto nazionale di Astrofisica e Asi, e alla presenza della ministra dell'Istruzione, Valeria Fedeli.
Risultati senza precedenti.
Secondo Gianluca Gemme, coordinatore nazionale del rivelatore Virgo per l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), quelli presentati il 16 ottobre sono risultati "senza precedenti". Per il fisico, infatti, la scoperta delle onde gravitazionali "è stata un momento storico, ma la ricchezza delle osservazioni venute in seguito è ancora superiore perché il numero di strumenti e di comunità scientifiche coinvolti in questa nuova osservazione non ha precedenti. Credo sia un fatto unico".
Dalle onde gravitazionali il primo passo verso la nuova astronomia, che permetterà di esplorare alcuni dei fenomeni più misteriosi dell'universo come i buchi neri. Lo indica l'analisi dei segnali registrati nel 2015 e nel 2017 che ha rivelato i segreti dei buchi neri più distanti, esterni alla Via Lattea. Pubblicata su Nature, l'analisi si deve al gruppo coordinato dall'italiano Alberto Vecchio, dell'università britannica di Birmingham, e da Ben Farr, dell'università americana di Chicago.
Per Vecchio l'astronomia gravitazionale è già reale: lo è diventata “il 14 settembre del 2015 con la prima osservazione delle onde gravitazionali” ossia le 'vibrazioni' dello spazio tempo originate da fenomeni violenti, come collisioni di buchi neri e supernovae, fino al Big Bang. “Questo studio è un esempio delle nuove informazioni che possiamo trarre sull'universo'' ha detto all'ANSA il fisico italiano.
I ricercatori hanno analizzato i segnali prodotti durante quattro eventi di collisione fra coppie di buchi neri, esterni alla Via Lattea, e rivelati nel 2015 e nel 2017 dall'osservatorio americano Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). I dati, ha spiegato Vecchio, sembrano confermare lo scenario secondo cui i buchi neri dei sistemi binari ''si formino in abbondanza'' dal collasso di stelle che si trovano in un ambiente molto ricco di astri, e che, ''data l'alta densità di questi corpi, due buchi neri si possano trovare sufficientemente vicini per 'catturarsi' e dar vita ad un sistema binario''.
Secondo un'altra teoria invece i buchi neri nei sistemi binari si formerebbero già in coppia: ossia nascerebbero dal collasso di due stelle molto massive che orbitano in un sistema binario. Tuttavia, per confermare l'ipotesi e riuscire a comprendere definitivamente l'origine dei buchi neri i ricercatori attendono altri dati sulle onde gravitazionali e stimano che l'analisi di altri 10 eventi potrebbe sciogliere ogni dubbio.
Hanno una massa 30 volte più grande quella del Sole. Secondo gli scienziati questa terza rilevazione potrà apportare interessanti conoscenze nello studio del fenomeno.
Arrivato il terzo segnale delle onde gravitazionali e questa volta le vibrazioni dello spaziotempo previste da Einstein rivelano una popolazione di buchi neri mai vista, dalla massa di 20-30 volte quella del Sole. Il segnale, catturato dal rilevatore Ligo, arriva dalla distanza di 3 miliardi di anni luce ed è descritto su Physical Review Letters. "Questo evento apre prospettive interessanti per la loro conoscenza", affermano gli scienziati.
Le segnalazioni sono state registrate grazie alla collaborazione tra Ligo e Virgo. Quest'ultima fa capo all'osservatorio europeo Ego, finanziato da Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e Consiglio nazionale delle ricerche francese (Cnrs).
Le onde gravitazionali sono state catturate a gennaio 2017 dal rivelatore americano Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), lo stesso che nel 2015 aveva visto gli altri due segnali. In tutti e tre i casi a far increspare lo spaziotempo è stata la collisione fra due buchi neri molto massicci, tanto da confermare l'esistenza di una popolazione di questi misteriosi oggetti cosmici dalla massa di 20 o 30 volte rispetto a quella del Sole.
Il primo segnale, alla distanza di 1,3 miliardi di anni luce, era stato generato dalla collisione di due buchi neri che, fondendosi, avevano generato un nuovo buco nero da 62 masse solari. Anche il secondo segnale era stato generato dalla collisione fra due buchi neri avvenuta alla distanza di 1,4 miliardi di anni luce e che aveva generato un buco nero da 21 masse solari. Il terzo, indicato con la sigla GW170104 e rilevato il 4 gennaio 2017, è stato generato dalla collisione fra due buchi neri avvenuta alla distanza di 3 miliardi di anni luce e che ha dato origine a un buco nero da 49 masse solari.
La sensazione è di trovarsi di fronte a qualcosa di sostanzialmente nuovo e che potrebbe aiutare a spiegare fenomeni ancora misteriosi, come l'origine dei buchi neri e quella della materia oscura, ossia della materia sconosciuta e invisibile che occupa il 25% dell'universo. E' l'inizio di un territorio completamente da esplorare. Quello che è certo è che "con questa terza scoperta confermiamo l'esistenza di una popolazione di buchi neri di massa superiore alle 20 masse solari, che non era mai stata osservata", ha commentato il nuovo portavoce della collaborazione Virgo, Jo van den Brand, dell'Istituto olandese per la fisica delle particelle, il Nikhef, e della Università Vrije di Amsterdam.
E' dello stesso parere responsabile nazionale di Virgo per l'Infn, Gianluca Gemme: "questo evento - ha rilevato - apre prospettive interessanti per la conoscenza dei buchi neri: oggetti misteriosi che cominciamo finalmente a studiare". Le prime direzioni da seguire sono suggerite dai segnali rilevati finora: "diventa possibile studiare le proprieta' dei buchi neri, come la massa e lo spin", ossia le proprietà che ne descrivono la rotazione, ha aggiunto la vice coordinatrice della collaborazione Ligo, Laura Cadonati, del Georgia Tech. A giudicare dai primi dati, sembra proprio che i buchi neri non conoscano regole, nemmeno quando si muovono in coppia e sembra che ognuno possa seguire un diverso orientamento nella rotazione.
L’immagine ottenuta dal telescopio spaziale Hubble di Nasa ed Esa mostra un quasar in fuga dal centro della galassia che lo ospita. I quasar sono le controparti luminose dei buchi neri, che non possono essere osservati direttamente. Il profilo ellittico con tratteggio verde delimita i confini della galassia. Il quasar denominato 3C 186 appare come una stella brillante leggermente decentrata rispetto alla galassia, che si trova a 8 miliardi di anni luce da noi.L’immagine combina riprese nel visibile e nel vicino infrarosso della Wide Field Camera 3. Crediti: NASA, ESA, e M. Chiaberge (STScI and JHU). Un buco nero supermassivo sta letteralmente schizzando via dal centro di una remota galassia a una velocità di 7,5 milioni di chilometri all’ora. Secondo i ricercatori che lo hanno scoperto, tra cui Alessandro Capetti dell'Inaf, questo buco nero “in fuga” è stato accelerato dalla enorme energia delle onde gravitazionali emesse durante la fusione dei due buchi neri che lo hanno generato.
In una lontana galassia, distante da noi 8 miliardi di anni luce, un gruppo di astronomi guidato dal ricercatore Marco Chiaberge e di cui fa parte anche Alessandro Capetti, dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, ha scoperto un buco nero supermassivo che sta letteralmente schizzando via dal centro galattico, a una velocità di 7,5 milioni di chilometri all’ora. Secondo i ricercatori, questo buco nero “in fuga” è stato accelerato dalla enorme energia delle onde gravitazionali emesse durante la fusione dei due buchi neri che lo hanno generato.
I ricercatori stimano che per spingere a una velocità così elevata un oggetto celeste della massa pari a un miliardo di volte quella del Sole, come il buco nero da loro individuato, sia stata necessaria un’energia pari a quella rilasciata da 100 milioni di supernove. La spiegazione più plausibile per giustificare questo gigantesco valore è che l’energia richiesta sia stata fornita proprio dalle onde gravitazionali prodotte nella fusione di due buchi neri massicci avvenuta nella zona centrale della galassia ospite, che hanno profondamente incurvato lo spazio-tempo in quella regione, spingendo verso l’esterno il buco nerorisultante. Un po’ come quando scrolliamo una tovaglia per far cadere da essa le briciole.
La scoperta è stata ottenuta grazie alle riprese del telescopio spaziale Hubble di NASA ed ESA in luce visibile e nel vicino infrarosso di un remoto ammasso di galassie distante 8 miliardi di anni luce, che hanno messo in evidenza la particolarità di una di esse. Le immagini hanno rivelato all’interno di una galassia un quasar luminoso, denominato 3C 186, ovvero la firma energetica prodotta da un buco nero, collocato però sorprendentemente a una notevole distanza dal nucleo galattico.
“Appena ho guardato le immagini di Hubble, ho pensato che ci trovavamo davanti a qualcosa di veramente particolare” dice Chiaberge, in forza allo Space Telescope Science Institute (STScI) e alla Johns Hopkins University a Baltimora, nel Maryland (USA), primo autore dell’articolo che descrive la scoperta in pubblicazione sulla rivista Astronomy&Astrophysics. “Mi aspettavo di vedere molte galassie nell’atto di fondersi e altre dalle strutture irregolari circondare quasar brillanti, ma non di vedere un quasar così lontano dal nucleo di una galassia di forma regolare. I buchi neri si trovano nel centro delle galassie, ed è quindi raro trovare un quasar così defilato”.
La sequenza mostra come le onde gravitazionali possano allontanare un buco nero dal centro di una galassia. (1) Due galassie, ognuna con un buco nero centrale sono nell’atto di fondersi. (2) I due buchi neri all’interno della nuova galassia risultante si dispongono nella regione centrale e cominciano a ruotare uno attorno all’altro, emettendo energia sotto formna di onde gravitazionali ed avvicinandosi sempre più tra loro (3). Se i buchi neri non hanno la stessa massa e velocità di rotazione, emettono onde gravitazionali con più intensità in una specifica direzione. (4) I buchi neri alla fine si fondono per formarne uno supermassivo. L’energia emessa della fusione spinge via, con un vero e proprio “effetto razzo”, il buco nero in direzione opposta a quella del treno di onde gravitazionali più intense. Crediti:NASA, ESA, e A. Feild (STScI)
Gli scienziati hanno calcolato che il buco nero si è spostato di più di 35 mila anni luce dal centro della galassia confrontando la distribuzione della luce delle stelle nella galassia ospite con quella di una galassia ellittica normale ricostruita al calcolatore: una distanza che è maggiore di quella che separa il nostro Sole dal centro della Via Lattea.
“Grazie alle osservazioni spettroscopiche siamo riusciti a stimare la massa del buco nero e la velocità del gas intrappolato attorno ad esso” dice Capetti. “Con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che quel gas stava muovendosi alla straordinaria velocità di 7, 5 milioni di chilometri all’ora. Tanto che, per coprire la distanza tra la Terra e la Luna ci impiegherebbe appena 3 minuti. A questo ritmo il buco nero sfuggirà definitivamente alla galassia in 20 milioni di anni, vagando per sempre nello spazio”.
Il team propone anche una ricostruzione di come questo buco nero sia stato accelerato alla sua velocità attuale. La storia inizia con la fusione di due galassie, i cui rispettivi buchi neri si risistemano nella zona centrale della galassia ellittica formata alla fine del processo. I buchi neri spiraleggiano l’uno attorno all’altro e si avvicinano, emettendo una grande quantità di energia sotto forma di onde gravitazionali. Se i due buchi neri non hanno la stessa massa e velocità di rotazione, emettono onde gravitazionali con più intensità lungo una specifica direzione. Quando i due buchi neri si scontrano, smettono di produrre onde gravitazionali e il buco nero risultante dalla fusione “rimbalza” in direzione opposta a quella dove si propagano le onde gravitazionali più intense, accelerando come un razzo.
Una spiegazione alternativa, anche se improbabile, propone che il quasar osservato non si trovi nella galassia, ma in un’altra dell’ammasso, più distante e quasi allineata con essa. L’immagine di Hubble darebbe quindi l’illusione prospettica del quasar distante dal centro della galassia in primo piano.
“Appena ho guardato le immagini di Hubble, ho pensato che ci trovavamo davanti a qualcosa di veramente particolare” dice Chiaberge, in forza allo Space Telescope Science Institute (STScI) e alla Johns Hopkins University a Baltimora, nel Maryland (USA), primo autore dell’articolo che descrive la scoperta in pubblicazione sulla rivista Astronomy&Astrophysics. “Mi aspettavo di vedere molte galassie nell’atto di fondersi e altre dalle strutture irregolari circondare quasar brillanti, ma non di vedere un quasar così lontano dal nucleo di una galassia di forma regolare. I buchi neri si trovano nel centro delle galassie, ed è quindi raro trovare un quasar così defilato”.
E chissà che non siano proprio i buchi neri a generare una sorta di porta da attraversare per passare velocemente da una galassia ad un'altra. Oltretutto, mi pare di capire che non conosciamo la concezione del tempo dei buchi neri. (cetta)
Rappresentazione grafica delle onde gravitazionali emessa dalla collisione fra due buchi neri (fonte: S. Ossokine, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics) / Scientific visualization: W. Benger (Airborne Mapping Hydro GmbH) Ha incuriosito tutti, ha riempito d'entusiasmo il mondo della fisica e dell'astronomia, ha aperto nuove frontiere ed e' in odore di Nobel: la scoperta delle onde gravitazionali compie un anno, ma l'esplorazione di questo aspetto completamente nuovo dell'universo e' appena agli inizi e scalda i muscoli per andare a conoscere da vicino gli aspetti piu' misteriosi della materia, come quelli che sono all'origine dei buchi neri o delle stelle di neutroni.
La scoperta compie un anno L'11 febbraio 2016 aveva fatto il giro del mondo l'annuncio della possibilita' di ascoltare le increspature dello spazio-tempo previste un secolo prima da Albert Einstein e causate dalla deformazione provocata dalla gravita' di corpi celesti giganteschi. Il segnale era stato catturato dal rivelatore americano Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e analizzato dalle collaborazioni internazionali Ligo e Virgo. Quest'ultima fa capo allo European Gravitational Observatory (Ego), fondato e finanziato da Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e Consiglio nazionale delle ricerche francese (Cnrs).
Dopo l'astronomia gravitazionale ... Da allora sono stati intercettati complessivamente due segnali e il lavoro da fare e' ancora moltissimo e affascinante. Se da allora l'astronomia gravitazionale e' diventata una realta', fisici e astrofisici si stanno preparando a fare il passo ulteriore. "Siamo alle porte dell'astronomia multimessaggero", ha detto Giovanni Losurdo, leader del progetto avanzato Virgo e ricercatore dell'Infn.
... arriva l'astronomia multimessaggero Vale a dire che nel momento in cui i rivelatori di onde gravitazionali intercettano un segnale e ne localizzano la provenienza in un punto del cielo, altri strumenti da Terra, diversi fra loro, possono guardare in quella stessa direzione per catturare informazioni diverse. E' come se un medico confrontasse le immagini ottenute ai raggi X con quelli di un'ecografia e di una Tac: sicuramente avrebbe un quadro molto piu' preciso. La scommessa e' poterne sapere di piu' su comportamenti insoliti della materia.
Un grimaldello per scoprire i segreti della materia "Attualmente non abbiamo la piu' pallida idea di che cosa sia un buco nero", ha osservato Gianluca Gemme, coordinatore di Virgo. "Probabilmente - ha aggiunto - le onde gravitazionali sono l'unico mezzo per scalfire il mistero che avvolge i buchi neri".
I ricercatori hanno analizzato i dati di Ligo che hanno portato alla scoperta delle onde gravitazionali e che erano stati generati dalla collisione tra due buchi neri (fonte: Maxwell Hamilton)
Piccole anomalie captate dallo strumento Ligo
Una strana 'eco' nelle onde gravitazionali potrebbe mettere in crisi la teoria della relatività: l'osservazione delle 'vibrazioni' dello spazio tempo, una delle più attese conferme della teoria di Einstein, potrebbe trasformarsi in un boomerang. E' quanto sostiene lo studio pubblicato sul sito ArXiv da Jahed Abedi, del Politecnico Sharif di Teheran: i ricercatori avrebbero rilevato la traccia di alcune anomalie nel segnale captato dallo strumento americano Ligo, lo stesso che ha portato a scoprire le onde gravitazionali.
Traballa la Relatività? I ricercatori hanno analizzato gli stessi dati di Ligo che hanno portato alla scoperta delle onde gravitazionali e che erano stati generati dalla collisione tra due buchi neri. E' emerso così che i dati in arrivo da Ligo indicherebbero che l'interno dei due buchi neri sarebbe diverso da come lo aveva descritto Einstein. Quella regione sarebbe cioè governata dalle leggi proprie della meccanica quantistica e le misteriose eco percepite insieme ai segnali delle onde gravitazionali sarebbero appunto delle particolari firme dovute a effetti quantistici. "E' sicuramente uno studio interessante, ma i dati sono ancora troppo pochi per giungere a delle conclusioni: sarà necessario osservare ancora molti eventi di questo tipo per ridurre le tante incertezze", ha osservato Gianluca Gemme, coordinatore nazionale della collaborazione europea Virgo per l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). "I buchi neri sono un po' il territorio di confine tra il mondo della teoria della relatività e quello della meccanica quantistica, due teorie che non vanno d'accordo tra loro", ha aggiunto. "Non sappiamo - ha detto ancora - che cosa ci sia dentro i confini di un buco nero": al momento, ha detto ancora "questo è un territorio ignoto", che "forse può essere spiegato solo dalla meccanica quantistica". http://www.ansa.it/scienza/notizie/rubriche/spazioastro/2016/12/12/onde-gravitazionali-una-strana-eco-fa-traballare-la-teoria-della-relativita-_e8f35596-0a1f-4846-8eba-1f03f71a9d78.html
A cento anni dalla pubblicazione della Relatività Generale, una delle poche previsioni della rivoluzionaria teoria di Albert Einstein che si era finora sottratta alla verifica sperimentale diretta, trova finalmente conferma. E l'Italia ha dato il suo contributo con l'Istituto nazionale di fisica nucleare.
Un sasso ha perturbato la superficie di uno stagno, generando increspature che ancora oggi si stanno propagando. Nello spazio e nel tempo. Alla velocità della luce. Solo che il sasso è un enorme buco nero rotante, nato dall’abbraccio di due di questi voraci cannibali cosmici. E lo stagno l’intero universo, di cui il Sistema solare non è che una molecola. A cento anni dalla pubblicazione della Relatività Generale, una delle poche previsioni della rivoluzionaria teoria di Albert Einstein che si era finora sottratta alla verifica sperimentale diretta, trova finalmente conferma. I fisici sono riusciti per la prima volta a catturare le onde gravitazionali.
La scoperta è stata annunciata in contemporanea nel corso di due conferenze stampa a Washington, nella sede della National science foundation (Nsf), e in Italia, a Càscina, vicino Pisa, nella sede dello European gravitational observatory (Ego), fondato dall’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) e dal Centre national de la recherche scientifique (Cnrs) francese. Una scoperta già in odore di Nobel, destinata a cambiare per sempre la nostra percezione dell’universo.
La scoperta di queste increspature del tessuto dello spazio-tempo, saltate fuori un secolo fa dalle equazioni di Einstein, e accolte inizialmente con scetticismo dallo stesso fisico tedesco, viene dagli Usa, dai due esperimenti gemelli Ligo (Laser interferometer gravitational-wave observatory). Ma parla anche italiano. Ligo è, infatti, parte di un network di osservatori di onde gravitazionali – gli esperti li chiamano interferometri laser – sparsi per il mondo, di cui un nodo importante è in Italia. È rappresentato dall’esperimento Virgo, un progetto nato da un’idea del fisico italiano Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet, e realizzato dall’Infn e dal Cnrs con il contributo del Nikhef (nei Paesi Bassi), in collaborazione con la Polish academy of sciences (in Polonia) e con il Wigner institute (in Ungheria).
L’antenna per onde gravitazionali Virgo – che fa capo a Ego e conta circa 250 fisici e ingegneri, quasi la metà dei quali Infn, provenienti da 19 laboratori europei -, i due interferometri gemelli Ligo negli Usa – a Hanford, nello stato di Washington, e a Livingston, in Louisiana – e il tedesco Geo600 ad Hannover funzionano, infatti, come un unico grande esperimento. I dati raccolti sono messi in comune e analizzati insieme. E insieme vengono pubblicati i risultati scientifici. Come sta avvenendo in queste ore con lo studio che illustra i dettagli della scoperta, accettato per la pubblicazione dalla rivista Physical review letters (Prl) e firmato da circa un migliaio di scienziati. Uno studio che contiene immagini destinate a essere ospitate in tutti i futuri libri di testo sulla Relatività Generale.
Einstein aveva ragione“Abbiamo dimostrato sperimentalmente proprio quello che aveva predetto Einstein – commenta emozionato Fulvio Ricci, ricercatore dell’Infn coordinatore di Virgo -. Le equazioni della Relatività Generale descrivono perfettamente il segnale che abbiamo osservato. Anzi – sottolinea il fisico italiano -, sarebbe più corretto dire che abbiamo ascoltato, dato che il segnale ha una frequenza caratteristica delle onde acustiche”. “Sembrava una sfida impossibile – aggiunge Pia Astone, ricercatrice Infn che ha curato la redazione dell’articolo scientifico sulla scoperta assieme ad altri cinque colleghi di Virgo e Ligo -. Lo sosteneva lo stesso Einstein, che reputava questi segnali troppo deboli per una possibile rivelazione. Invece, siamo riusciti a catturarli”.
Le onde gravitazionali sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo di un evento cosmologico mai osservato finora direttamente: la fusione tra due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari. Il risultato di questo cataclisma è un mostro cosmico, un unico buco nero rotante di circa 62 masse solari. Le 3 masse solari mancanti dopo la fusione corrispondono all’energia emessa sotto forma di onde gravitazionali. La massa e l’energia, infatti, come ci ha insegnato Einstein con la sua celebre equazione E=mc2, sono equivalenti. Questo scontro tra titani è avvenuto al di fuori della Via Lattea, a una distanza dalla Terra di circa 410 megaparsec (410 milioni di parsec, dove 1 parsec equivale a poco più di 3 anni luce, ndr). Le onde sono state, quindi, emesse quasi un miliardo e mezzo di anni fa, quando sul nostro Pianeta facevano la loro comparsa le prime cellule evolute, in grado di utilizzare l’ossigeno per produrre energia. E ha viaggiato tutto questo tempo nel cosmo, alla velocità della luce. Fino ai nostri giorni.
“Questo risultato rappresenta un regalo speciale per il 100° compleanno della Relatività Generale – commenta Fernando Ferroni, presidente dell’Infn -. È il sigillo finale sulla meravigliosa teoria che ci ha lasciato il genio di Albert Einstein. Una scoperta – prosegue il fisico italiano – cui l’Italia ha dato un grande contributo, figlio di quella scuola che negli anni ’70 del secolo scorso si formò intorno alle figure di Edoardo Amaldi, Guido Pizzella, Adalberto Giazotto, e che oggi vede i nostri ricercatori protagonisti grazie alla tecnologia di Virgo”.
Un cinguettìo dal cosmo profondo. Il primo segnale diretto di un’onda gravitazionale è brevissimo, della durata di una frazione di secondo, e ha una frequenza variabile dai 30 ai 250 Hz. Captato lo scorso 14 settembre, alle 10:51 ora italiana, è come un cinguettìo. È stato generato da due buchi neri che spiraleggiano l’uno intorno all’altro fino a scontrarsi a una velocità enorme, pari a circa la metà di quella della luce, fondendosi in un unico buco nero rotante che, prima di stabilizzarsi, vibra come una campana. Un vero e proprio terremoto cosmico che ha prodotto, anziché onde sismiche, onde gravitazionali. E nient’altro.
Senza queste increspature dello spazio-tempo, quindi, non avremmo mai saputo nulla di questo cataclisma. Il fenomeno, infatti, non è stato accompagnato dall’emissione di altri tipi di segnali luminosi, anche a lunghezze d’onda invisibili all’occhio umano, come radiazione gamma o raggi X, né di particelle come i neutrini. E lo dimostra il fatto che decine di osservatori ottici tradizionali – sia terrestri che non, come i telescopi spaziali Fermi e Swift - oppure osservatori per neutrini, come Icecube e Antares, subito allertati per osservare anch’essi la fusione tra i due buchi neri, dopo aver effettuato un’accurata radiografia del cielo, non hanno osservato nulla.
Uno sguardo dentro i buchi neri La scoperta appena annunciata, che ha immediatamente fatto il giro del mondo, ne contiene, in realtà, due in una. Da un lato, è la prima volta che gli scienziati ascoltano le onde gravitazionali, perturbazioni dello spazio-tempo prodotte dal movimento accelerato di corpi dotati di massa. Ma, dall’altro, rappresenta la prima prova diretta dell’esistenza di sistemi binari di buchi neri di massa stellare, in particolare superiori a 25 masse solari. Un risultato che apre la strada allo studio approfondito delle loro proprietà, attraverso le onde gravitazionali. Mai prima d’ora, infatti, gli scienziati erano riusciti a catturare un segnale, un’informazione di prima mano, proveniente direttamente dal cuore impenetrabile di questi buchi neri. Per definizione, infatti, questi mostri cosmici divorano tutto ciò che incontrano, tanto che la stessa luce non riesce a sfuggire al loro abbraccio gravitazionale, e la loro presenza può essere dedotta solo dalla devastazione che producono oltre il loro orizzonte.
Un nuovo tipo di astronomia. Ma la prima osservazione di onde gravitazionali non è solo un’ulteriore conferma della correttezza della Relatività Generale di Albert Einstein. È importante anche per un’altra ragione. Consente, infatti, di aprire una nuova finestra su un universo di cui conosciamo ancora poco. Un universo che parla una lingua fino a oggi sconosciuta agli scienziati, e di cui sarà possibile d’ora in poi ascoltare il suono. È come avere puntato al cielo un nuovo tipo di cannocchiale, come fece Galileo più di quattro secoli fa. Ogni volta che questo è successo in passato l’essere umano ha fatto scoperte straordinarie, oppure ha dovuto porsi nuove domande, spesso ancora senza risposte. La data di oggi segna l’inizio di un nuovo tipo di astronomia: l’astronomia gravitazionale.
“Questo risultato rappresenta un pietra miliare nella storia della fisica, ma ancor di più è l’inizio di un nuovo capitolo per l’astrofisica – spiega Ricci -. Osservare il cosmo attraverso le onde gravitazionali cambia radicalmente le nostre possibilità di studiarlo. Finora, infatti – chiarisce il coordinatore di Virgo -, è come se lo avessimo guardato attraverso delle radiografie. Adesso, invece, possiamo fare un’ecografia del nostro universo”. “L’astronomia gravitazionale è una nuova affascinante frontiera dell’incessante esplorazione cosmica – aggiunge Antonio Masiero, vicepresidente dell’Infn e del Council di Ego -. Questa straordinaria scoperta apre un’emozionante finestra sull’universo. Da oggi – spiega Masiero – le onde gravitazionali si aggiungono ai messaggeri cosmiciche già studiamo, come i fotoni e i neutrini di alta energia, i raggi cosmici e l’antimateria”.
Le onde gravitazionali, in particolare quelle primordiali emesse subito dopo il Big Bang – che i fisici sperano adesso di catturare, anche se l’impresa sarà ancora più complessa di quella che ha portato al risultato odierno – sono, infatti, come dei messaggi in bottiglia siderali. Potrebbero, ad esempio, permetterci di ottenere un’immagine dell’universo più remota di quella che possediamo finora, scattata dalla sonda spaziale dell’Esa (European space agency) Planck, e che risale a circa 380mila anni dopo il Big Bang. Prima di questa data, infatti, non abbiamo istantanee dell’universo neonato, perché la luce era come intrappolata in una fitta nebbia. Le onde gravitazionali primordiali, invece, a differenza dei fotoni, possono viaggiare indisturbate. E potrebbero raccontarci, quindi, che cosa è accaduto all’universo nei suoi primi 380mila anni di vita, quando ha emesso i suoi primi vagiti.
In ascolto dei bisbigli dell’universoI fisici inseguono le onde gravitazionali da decenni. Queste perturbazioni dello spazio-tempo sono come dei sussurri dell’universo. La loro ampiezza è, infatti, infinitesima e occorrono quindi strumenti sensibilissimi per osservarle. Per questo, c’è voluto un secolo per ascoltare questi bisbigli cosmici, da quando Einstein ne predisse l’esistenza nel 1916. Sulla Terra possiamo ascoltare solo quelle generate dagli eventi più energetici dell’universo, come appunto lo scontro tra buchi neri. Per raggiungere questo storico risultato è stato, quindi, necessario spingere al limite le tecnologie degli interferometri laser, gli osservatori utilizzati dai fisici per la ricerca sulle onde gravitazionali. Questi strumenti scientifici – enormi orecchie estremamente sensibili formate da coppie di bracci perpendicolari lunghi fino a tre, quattro chilometri ciascuno, all’interno dei quali corrono raggi laser – al passaggio di un’onda gravitazionale vibrano con lo spazio-tempo. Come ci ha insegnato Einstein. Di conseguenza, la lunghezza dei loro bracci cambia – uno si allunga e l’altro si accorcia – e con essa il tempo impiegato dalla luce laser a percorrerli. Variazioni impercettibili, un miliardo di volte più piccole del diametro di un atomo d’idrogeno. Che questi strumenti sono, però, in grado di misurare con estrema precisione.
Ma che cosa dobbiamo attenderci, dopo questa scoperta, nei prossimi mesi? I fisici italiani dell’Infn, già impegnati da mesi accanto ai colleghi americani di advanced Ligo nell’analisi dei dati presentati oggi al mondo, stanno adesso ultimando la realizzazione di un interferometro di seconda generazione, advanced Virgo, nel sito di Ego a Càscina. L’osservatorio inizierà a raccogliere dati nella seconda metà del 2016. Una volta ultimato, advanced Virgo avrà una sensibilità dieci volte superiore al passato. Sarà, cioè, in grado di guardare dieci volte più lontano, ampliando così di mille volte il volume di universo osservabile.
“L’aggiunta di advanced Virgo sarà fondamentale perché permetterà di capire da quale parte di cielo è arrivato il segnale – afferma Giovanni Losurdo, fisico Infn e project leader di advanced Virgo -. Gli interferometri di seconda generazione, come advanced Virgo e advanced Ligo, potrebbero catturare ogni anno decine di coalescenze, di fusioni tra buchi neri. L’osservazione diretta delle onde gravitazionali aprirà nuovi scenari, un modo nuovo di studiare l’universo e le sue leggi. Si potrà, ad esempio, guardare – sottolinea il ricercatore Infn – dentro oggetti opachi alla radiazione luminosa. E dare, quindi, una risposta sperimentale ad alcune grandi domande della fisica contemporanea, finora oggetto solo di speculazioni teoriche, come la formazione di un buco nero, o il comportamento della materia nelle condizioni di pressione e temperatura estreme di una stella di neutroni o di una supernova”.
Lo studio dei dati raccolti dai fisici aiuterà a descrivere meglio come agisce la forza gravitazionale in condizioni estreme mai esplorate prima, in cui la materia è confinata in un volume piccolissimo. Come se, ad esempio, una massa tre volte più grande del Sole fosse tutta racchiusa all’interno del diametro del grande raccordo anulare di Roma. “Finalmente – conclude Pia Astone -, possiamo osservare l’universo con occhi diversi. Adesso proseguiremo il nostro lavoro, non più domandandoci se ce la faremo a catturare le onde gravitazionali, ma quale sarà la prossima sorgente che manderà un segnale sui nostri strumenti. Noi siamo pronti”.
