Buchi neri crescono insieme all’espansione dell’universo, teoria innovativa di un team di scienziati

Credito: laurence diver, FreeImages, 1200379

C’è un problema riguardo ai buchi neri più grandi e massicci, ossia buchi neri enormi con masse che possono essere equiparate a centinaia o migliaia (a volte anche milioni) di volte quella del sole: sono stati individuati a distanze enormi, a volte lontani miliardi di anni luce, nel cosiddetto “universo primordiale”. Questo vuol dire che questi enormi buchi neri esistevano già poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. La domanda a cui scienziati non sanno rispondere è: come hanno fatto da acquisire così tanto materiale in così poco tempo? I modelli che abbiamo sulla formazione dei buchi neri ci dicono che per masse del genere ci vuole un certo periodo di tempo per acquisire il materiale necessario.

Intercettazione di onde gravitazionali ha reso enigma ancora più irrisolvibile

L’enigma dei buchi neri “troppo grandi” si è fatto ancora più complesso quando nel 2015 i ricercatori del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno individuato per la prima volta le onde gravitazionali emesse dalla fusione dei buchi neri. Da allora diverse fusioni di buchi neri enormi, con decine di masse solari, sono state individuate e la questione relativa alla formazione dei buchi neri troppo grandi è diventata ancora più enigmatica.

Buchi neri che si fondono individuati troppo massicci

In questo caso, però, il motivo dell’enigma non è legato al tempo che ci vuole per acquisire la massa. I ricercatori pensano che i buchi neri che si fondono, infatti, debbono essere prodotti dalla morte di stelle grandi e massicce, e quindi non da un lento processo di accrescimento a seguito di acquisizione di materiale, come può avvenire per i buchi neri supermassicci al centro delle galassie. I buchi neri che si fondono individuati dai rilevatori di onde gravitazionali sono troppo massicci e non dovrebbero esistere stelle tanto grandi che hanno poi portato alla loro formazione.

Nuova spiegazione all’enigma

Un nuovo studio, realizzato da ricercatori dell’Università delle Hawaii a Manoa, propone una nuova spiegazione all’enigma. Secondo i ricercatori fino ad ora non si è preso in considerazione il fatto che questi buchi neri si trovano comunque in un universo che si espande. Ciò è dovuto al fatto che, non considerando l’espansione dell’universo, è più facile utilizzare le equazioni di Einstein, come lascia intendere Kevin Croker, un professore del Dipartimento di Fisica e Astronomia ama Nova e uno degli autori dello studio.

Accoppiamento cosmologico

Il ricercatore fa notare che le fusioni di cui noi intercettiamo brevissimi segnali sotto forma di onde gravitazionali sono processi che, nella loro interezza, in realtà durano miliardi di anni considerando il tempo che passa tra la formazione di due buchi neri e la loro fusione. Durante tutto questo tempo l’universo si espande e, insieme all’universo, potrebbero consequenzialmente espandersi anche le masse dei buchi neri. Un’espansione pressoché unisona, che gli stessi ricercatori hanno denominato “accoppiamento cosmologico” e che spiegherebbe l’enorme massa di questi oggetti.

Simulazioni

Per giungere a questa conclusione ricercatori hanno effettuato delle simulazioni in cui, dopo la formazione di due buchi neri, essi sono stati collegati al tasso di espansione dell’universo. Le simulazioni mostravano che le masse delle coppie di buchi neri crescevano mentre si avvicinavano tra di loro con un movimento a spirale. Quando arrivava il momento della fusione, i due buchi neri risultavano molto più massicci.
“Devo dire che all’inizio non sapevo cosa pensare”, spiega Gregory Tarlé, un professore dell’Università del Michigan che ha partecipato allo studio. “Era un’idea così semplice, sono rimasto sorpreso che abbia funzionato così bene”.

Ulteriori approfondimenti andranno sicuramente effettuati

Si tratterebbe di una spiegazione che non modificherebbe i modelli attuali riguardo alla formazione nonché all’evoluzione e alla morte delle stelle (che poi formano i buchi neri).
I ricercatori comunque ammettono che ulteriori approfondimenti andranno sicuramente effettuati per risolvere il mistero dei buchi neri massicci che si fondono individuati da LIGO e Virgo. L’idea dell’accoppiamento cosmologico per ora sembra utile ma bisogna analizzare anche quanto esso dovrebbe influire sulla massa dei buchi neri. Si spera che le tecnologie relative all’intercettazione delle onde gravitazionali migliorino a tal punto, nel corso del prossimo decennio, da permettere la risoluzione di questo misterioso enigma.

Note e approfondimenti

  1. Cosmologically Coupled Compact Objects: A Single-parameter Model for LIGO–Virgo Mass and Redshift Distributions – IOPscience (IA) (DOI: 10.3847/2041-8213/ac2fad)

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