Nel mio ultimo post (1) avevo proposto l’idea che le onde gravitazionali stessero inaugurando una nuova disciplina che ho definito col nome di archeologia gravitazionale: la possibilità di ricostruire la storia evolutiva dei buchi neri attraverso le tracce lasciate nelle loro masse e nei loro spin.
In seguito alla sua pubblicazione ho avuto l’opportunità di confrontarmi con Pia Astone, membro della collaborazione LIGO/Virgo, e di porle la seguente domanda:
“... se siamo ormai in grado di individuare candidati buchi neri di seconda generazione, esistono anche indizi osservativi di una terza generazione o di genealogie ancora più profonde? ...”
La risposta che ho ricevuto mostra come la situazione attuale sia al tempo stesso promettente e prudente.
Avevo spiegato come le simulazioni di relatività numerica indichino che la fusione di due buchi neri produca tipicamente un oggetto finale caratterizzato da uno spin adimensionale prossimo a 0,7; questo valore emerge con regolarità in una vasta gamma di configurazioni iniziali ed è spesso considerato una possibile “firma” di una precedente fusione.
Tuttavia, scrivevo nel post, sorge un problema: se un buco nero di seconda generazione con spin intorno a 0,7 partecipa ad una nuova fusione, il prodotto risultante tende ancora una volta ad assumere uno spin vicino a quel valore. (2)
Ne consegue che lo spin, da solo, non risulti sufficiente per distinguere un buco nero di seconda generazione da uno di terza o quarta generazione. La genealogia dei buchi neri non può cioè essere ricostruita leggendo un singolo parametro.
Pia mi segnala come, disponendo del catalogo GWTC-5 che raccoglie ormai quasi quattrocento eventi osservati, il numero di segnali disponibili sia diventato sufficientemente grande da consentire studi di popolazione sempre più sofisticati.
“… Una frazione non trascurabile degli eventi osservati”- mi scrive - “mostra spin elevati, superiori a circa 0,7 …” (3)
Questi sistemi rappresentano candidati naturali a fusioni gerarchiche, cioè fusioni che coinvolgono almeno un buco nero già nato da una precedente coalescenza.
Aggiunge tuttavia: "... occorre cautela in quanto uno spin elevato non costituisce una prova definitiva: può costituire un indizio importante, ma deve essere interpretato insieme ad altri parametri osservabili ..."
E la stessa cosa vale per la massa: molti dei buchi neri più massicci osservati da LIGO-Virgo-KAGRA superano le 40 masse solari, ed alcuni di questi si avvicinano (o addirittura entrano) nella regione associata al cosiddetto pair-instability mass gap (4), dove l’evoluzione stellare tradizionale fatica a produrre direttamente residui compatti.
Masse elevate e spin elevati possono suggerire una storia gerarchica ma non permettono ancora di stabilire con certezza se ci si trovi di fronte ad una seconda, terza o successiva generazione.
Tra i parametri più studiati negli ultimi anni - aggiunge Pia - vi è anche lo spin effettivo (indicato con χ eff) che misura quanto gli spin dei due buchi neri siano allineati con il momento angolare orbitale del sistema. (5)
La sua importanza deriva dal fatto che diversi canali di formazione producono distribuzioni differenti; i sistemi nati dall’evoluzione di una coppia stellare tendono a conservare un certo grado di allineamento mentre, al contrario, gli incontri dinamici negli ammassi stellari o nei nuclei galattici possono generare orientazioni molto più casuali.
Le osservazioni attuali sembrano mostrare una preferenza per valori positivi di χeff, suggerendo una tendenza all’allineamento.
Anche questo elemento contribuisce a restringere i possibili scenari di formazione, pur senza fornire ancora risposte definitive.
Infine, un altro aspetto da indagare riguarda la presenza di possibili picchi nella distribuzione delle masse osservate, che potrebbero rappresentare la firma di specifici processi astrofisici (quali l’esistenza di popolazioni distinte di buchi neri): potrebbero rappresentare una conseguenza delle fusioni gerarchiche, oppure semplicemente essere fluttuazioni statistiche destinate a scomparire quando il numero di osservazioni aumenterà ulteriormente.
Per ora è impossibile dirlo, ma è proprio questo il genere di dettaglio che rende l’astronomia gravitazionale una scienza in rapida evoluzione.
Tra gli eventi più interessanti che troviamo negli ultimi cataloghi figurano GW241011 e GW241110. (6)
Questi sistemi mostrano una combinazione particolarmente suggestiva di caratteristiche quali spin elevati, forte inclinazione degli spin rispetto all’orbita e rapporti di massa molto asimmetrici; tale combinazione li rende candidati particolarmente convincenti a contenere almeno un buco nero di seconda generazione.
La loro importanza non risiede soltanto nelle proprietà individuali ma nel fatto che dimostrano come sia possibile ricostruire una storia evolutiva utilizzando simultaneamente molteplici indizi osservativi (un approccio molto diverso da quello dei primi anni dell’astronomia gravitazionale quando l’attenzione era concentrata soprattutto sulla massa).
Oggi si cerca di leggere l’intera “biografia gravitazionale” del sistema.
Alla mia domanda diretta “Possiamo quindi già identificare una terza generazione?” Pia risponde:
“… almeno per ora, no!”.
“… Possiamo immaginare che alcuni degli oggetti osservati appartengano alla terza generazione o a generazioni ancora successive, ma non disponiamo ancora degli strumenti osservativi e statistici necessari per affermarlo con sicurezza …”
"... Questo" - aggiunge - "non significa che tali oggetti non esistano: significa semplicemente che la nostra capacità di riconoscerli è ancora limitata ..."
Ecco allora il paragone che ho già utilizzato in precedenza: ci troviamo oggi nella stessa situazione in cui si trovava l’astronomia esoplanetaria negli anni Novanta, quando disponevamo dei primi indizi dell’esistenza di pianeti intorno ad altre stelle ma non ancora di una tassonomia completa.
Diventa dunque di importanza essenziale saper rispondere con precisione alla domanda “quale frazione della popolazione osservata possiede una storia di fusioni precedenti?”, e subito dopo “quanto in profondità possiamo ricostruire il loro albero genealogico?”
L’obiettivo si sposta dal classificare singoli eventi eccezionali al ricostruire la storia collettiva di una popolazione cosmica, proprio come un archeologo non si limita a studiare un singolo reperto ma cerca di ricostruire l’evoluzione di un’intera civiltà.
L’astronomia gravitazionale sta iniziando a ricostruire la storia evolutiva di una delle popolazioni più enigmatiche dell’Universo: quella dei buchi neri.
È vero, oggi ci troviamo soltanto all’inizio di questo percorso; tuttavia - per la prima volta nella storia della scienza - disponiamo degli strumenti necessari per tentare di leggere nelle increspature dello spazio-tempo “la memoria del buio”.
Note:
(1) “Le genealogie del buio: come le onde gravitazionali stanno ricostruendo l'albero genealogico dei buchi neri“ pubblicato il 17/07/26
(2) Lo spin sembra convergere verso una sorta di attrattore dinamico.
(3) Indica in circa il 15% la percentuale tra i 400 segnali rilevati per i quali lo spin risulti sopra lo 0.7, e di conseguenza ci si aspetta essi provengano da merger di oggetti a loro volta già risultato di un merger (ossia di seconda generazione).
(4) Per una sua descrizione vedi il mio post indicato in nota (1)
(5) Non ne avevo trattato nel mio post precedente; Pia mi scrive in proposito:
“… un altro parametro da considerare è lo spin effettivo, ossia allineamento con il momento angolare; lo si studia per capire il canale di formazione.
Al momento sembra preferito un allineamento rispetto al contrario (ossia valori positivi e non negativi) …”
.
(6) Vedi per dettagli la seguente pagina sul sito “ligo org” dalla quale è possibile scaricare il pdf “GW241011 AND GW241110: A PAIR OF RAPIDLY SPINNING, UNEQUAL MASS BLACK HOLE MERGERS DETECTED WITH GRAVITATIONAL WAVES”
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