Osservate onde gravitazionali generate da due buchi neri

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LIGO ha osservato onde gravitazionali curvate da una galassia? La collaborazione LIGO-Virgo, responsabile della storica rilevazione di onde gravitazionali prodotte dalla fusione di coppie di buchi neri o di coppie di stelle di neutroni, in due occasioni avrebbe in realtà osservato queste onde deflesse a causa dell’effetto di lente gravitazionale. Lo afferma in un nuovo studio il premio Nobel per la fisica George Smoot insieme ad alcuni colleghi, ma i membri della collaborazione non sono d’accordo.

Annunciata dalla collaborazione LIGO nel febbraio 2016, la scoperta delle increspature dello spazio-tempo conosciute come onde gravitazionali è stata tanto importante da meritare il premio Nobel per la fisica nel 2017. Ora, un altro premio Nobel dice che LIGO ha fatto inconsapevolmente un’altra scoperta spettacolare: onde gravitazionali prodotte dalla fusione di buchi neri che sono state amplificate dalla gravità di galassie più vicine.

Chiamato effetto lente gravitazionale, questo fenomeno viene abitualmente utilizzato per studiare la luce di oggetti nel cosmo molto lontano. Ma il nuovo annuncio, se si dimostrasse corretto, lo renderebbe il primo avvistamento simile per le onde gravitazionali. La controversa affermazione, che è stata respinta dai membri del team di LIGO, arriva dal Nobel per la fisica George Smoot dell’Università della California a Berkeley, e colleghi. “Stiamo scommettendo la nostra reputazione su questo”, dice.

LIGO (acronimo di Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), che comprende due rivelatori negli Stati Uniti, e Virgo, un rivelatore in provincia di Pisa, hanno finora annunciato congiuntamente osservazioni di onde gravitazionali provenienti dalla fusione di 10 coppie di buchi neri e una coppia di stelle di neutroni.

Sono i buchi neri che Smoot sta prendendo di mira. Secondo un’analisi di LIGO-Virgo, le fusioni dei buchi neri si sono verificate nell’universo relativamente vicino, in genere a pochi miliardi di anni luce dalla Terra. Molti dei buchi neri che si sono fusi avevano una massa di circa 30 masse solari, e uno era di circa 50 masse solari. Tali buchi neri sono formati dal collasso gravitazionale di stelle giganti.

Secondo Smoot, la nostra galassia, e per estensione l’universo vicino esaminato da LIGO, sono privi del tipo di stelle, note come stelle a bassa metallicità, necessarie per formare grandi buchi neri. Se è così, questo dovrebbe portare a una scarsità locale di buchi neri con l’intervallo di masse viste da LIGO. “Il massimo che si può raggiungere è di circa 20 masse solari”, dice Smoot. “Tranne in situazioni molto insolite”.

Illustrazione di tutte e 10 le fusioni annunciate dalla collaborazione LIGO-Virgo, con i relativi segnali di due fusioni rappresentate nella riga sotto, GW170809 e GW170814 potrebbero essere in realtà due immagini di un singolo evento, sdoppiato e ingrandito da una galassia più vicina (Credit: Teresita Ramirez/Geoffrey Lovelace/SXS Collaboration/LIGO-Virgo Collaboration)
Illustrazione di tutte e 10 le fusioni annunciate dalla collaborazione LIGO-Virgo, con i relativi segnali di due fusioni rappresentate nella riga sotto, GW170809 e GW170814 potrebbero essere in realtà due immagini di un singolo evento, sdoppiato e ingrandito da una galassia più vicina (Credit: Teresita Ramirez/Geoffrey Lovelace/SXS Collaboration/LIGO-Virgo Collaboration)

A sostegno della loro tesi, Smoot e gli astrofisici Tom Broadhurst dell’Università dei Paesi Baschi a Bilbao, in Spagna, e José María Diego dell’Università della Cantabria a Santander, sempre in Spagna, citano survey a raggi X di coppie di buchi neri nella Via Lattea che suggeriscono che la distribuzione di massa di buchi neri ha un picco di intorno a 10 masse solari.

Supponendo che questa stessa distribuzione valga per i buchi neri nel maggior volume di spazio studiato da LIGO, Smoot e colleghi sostengono che le stime di massa del buco nero più elevante del gruppo LIGO-Virgo devono essere un errore di calcolo. Smoot e i suoi colleghi sostengono che invece che vedere le onde gravitazionali di buchi neri eccezionalmente grandi in fase di fusione nell’universo vicino, LIGO e Virgo stanno in realtà osservando eventi di fusione più piccoli che si svolgono molto più lontano – a distanze dell’ordine di 10 miliardi di anni luce – ingranditi e resi visibili dall’effetto lente gravitazionale.

Un telescopio per lo spazio-tempo di Einstein
Secondo la relatività generale di Einstein, le lenti gravitazionali si formano perché le galassie e gli ammassi di galassie deformano notevolmente lo spazio-tempo. Se una galassia si trova tra la Terra e qualche oggetto distante, allora quella galassia si comporta come una lente, curvando lo spazio-tempo e ingrandendo la luce di quell’oggetto vista dalla Terra. Anche le onde gravitazionali devono seguire lo spazio-tempo curvo, e possono essere ingrandite dalle lenti gravitazionali. Inoltre, quanto maggiore è la distanza di un oggetto dalla Terra, tanto più elevata è la possibilità che la sua luce, o le sue onde gravitazionali, siano gravitazionalmente deflesse da una galassia interposta.

Tutte insieme, queste circostanze portano Smoot e colleghi ad annunciare che LIGO-Virgo deve vedere fusioni di buchi neri sotto l’influsso dell’effetto lente gravitazionale. “Stiamo affermando che i due terzi dei loro eventi subiscono l’effetto lente gravitazionale”, afferma Smoot, riferendosi al catalogo di rilevazioni di LIGO-Virgo.

Daniel Holz, membro della collaborazione LIGO presso l’Università di Chicago, non è per nulla convinto. Ben prima che LIGO e Virgo facessero le loro rilevazioni, lui e i suoi colleghi avevano predetto che gli osservatori avrebbero visto fusioni di buchi neri di circa 30 masse solari ciascuno.

Holz concorda che rispetto all’universo di oggi, nell’universo primordiale si sia formato un numero maggiore di stelle a bassa metallicità, e quindi si sono formati più buchi neri con 30 masse solari rispetto a oggi. Ma anche se la maggior parte di questi ingombranti buchi neri si è formata nelle precedenti epoche cosmiche, rimane fiducioso che LIGO e Virgo stiano rilevando le loro fusioni adesso, nell’universo relativamente locale, perché la danza gravitazionale che alla fine porta alla coalescenza di due buchi neri orbitanti è un processo che si svolge nell’arco di miliardi di anni.

Veduta aerea dell'interferometro Virgo, situato a Cascina, in provincia di Pisa (Cortesia Collaborazione Virgo)
Veduta aerea dell’interferometro Virgo, situato a Cascina, in provincia di Pisa (Cortesia Collaborazione Virgo)

Inoltre, aggiunge Holz, le survey da terra hanno dimostrato che nell’universo locale sono effettivamente presenti alcune regioni a bassa metallicità, ognuna delle quali potrebbe ospitare buchi neri binari di questo tipo dotati di 30 masse solari ciascuno. “Basta mettere tutto insieme e fare una previsione di quello che si dovrebbe vedere con LIGO”, dice. E le rilevazioni sono in linea con le previsioni, aggiunge, rendendo altamente improbabile che tutti gli eventi LIGO-Virgo siano eventi di lente gravitazionale. “Le attuali basi teoriche della formazione stellare e dell’evoluzione, e la formazione e l’evoluzione binaria dei buchi neri sembrano spiegare ragionevolmente bene tutte le osservazioni di LIGO fino a oggi. Non c’è bisogno di andare su modelli troppo speculativi”.

Una nuova scoperta o un miraggio?
Smoot e colleghi, tuttavia, non si tirano indietro. Pensano di aver identificato in modo definitivo almeno un evento di lente gravitazionale nei dati di LIGO-Virgo. Quando una sorgente distante subisce l’effetto lente gravitazionale, la luce o le onde gravitazionali dalla sorgente possono percorrere più traiettorie attorno alla galassia dell’obiettivo, e questi percorsi possono raggiungere la Terra in momenti diversi, creando più immagini.

Secondo la loro analisi, due eventi – un rilevazione del 9 agosto 2017 (GW170809) e altri cinque giorni dopo (GW170814) – sono immagini effettivamente diverse della stessa fusione. Il gruppo sostiene che i segnali condividono molte caratteristiche cruciali, che in entrambi i casi portano a stime quasi identiche per le masse dei buchi neri che si fondono. C’è anche una piccola sovrapposizione nelle loro posizioni approssimative nel cielo.

Il gruppo di LIGO non è d’accordo. Parameswaran Ajith, dell’International Center for Theoretical Sciences di Bengaluru, in India, r membro della collaborazione, e colleghi, hanno analizzato tutti e 10 gli eventi di fusione dei buchi neri visti da LIGO-Virgo. Hanno cercato una coerenza tra coppie di eventi che potesse suggerire un effetto lente gravitazionale. Hanno preso in considerazione sette diverse caratteristiche di ogni coppia, incluse alcune non considerate dal gruppo di Smoot, come il momento angolare di spin dei buchi neri e l’orientamento della coppia binaria. Due coppie di eventi, uno dei quali è la coppia GW170809-GW170814, hanno mostrato più correlazioni di altri.

Ma l’analisi di Ajith e colleghi mostrava anche che per queste coppie c’era più del 5 per cento di possibilità che le correlazioni fossero casuali (meno di un cosiddetto risultato 2-sigma). In fisica, le affermazioni di una scoperta richiedono solitamente un risultato di 5 sigma, equivalente a meno di una possibilità dello 0,00006 per cento che si tratti di una fluttuazione statistica. “Meno di 2-sigma non è nemmeno considerato plausibile”, dice Ajith. In altre parole, le correlazioni che Smoot e il suo gruppo dicono essere significative potrebbero essere semplici miraggi nei dati.

Il tempo darà una risposta
Osservazioni non controverse di onde gravitazionali che hanno subito l’effetto lente gravitazionale aumenterebbero significativamente gli obiettivi scientifici a che è possibile perseguire con LIGO e Virgo.

Anzitutto, l’effetto lente gravitazionale crea più immagini o segnali dallo stesso evento e l’arrivo di quei segnali sulla Terra può essere separato da ore, giorni o settimane. Poiché l’orientamento degli strumenti di LIGO e Virgo rispetto alla sorgente cambiava tra le rilevazioni, a causa della rotazione della Terra, ciò sarebbe simile al fatto che più rivelatori osservano lo stesso evento (e producono più informazioni du di esso). “Se si riuscisse a combinare questo con le osservazioni ottiche dell’effetto lente gravitazionale della galassia, si potrebbe essere in grado di individuare molto bene la sorgente del buco nero binario”, dice Ajith.

Illustrazione di una coppia di buchi neri in fase di collisione (Cortesia Ligo Scientific Collaboration)
Illustrazione di una coppia di buchi neri in fase di collisione (Cortesia Ligo Scientific Collaboration)

E poiché gli eventi che subiscono l’effetto lente gravitazionale riguardano l’universo primordiale, essi permetterebbero ai fisici di porre e risolvere questioni più sfumate su, per esempio, l’evoluzione nel tempo delle stelle e dei buchi neri. “Oltre a fare astronomia, si sta facendo anche della cosmologia”, dice Broadhurst.

Holz è in attesa di prove più stringenti, ma è comunque eccitato dalla prospettiva. “Non sarebbe fantastico, un giorno, essere in grado di misurare un evento fortemente deformato da una lente gravitazionale?” Egli ritiene che occorrerà la prossima generazione di rivelatori di onde gravitazionali per trovare inequivocabilmente antiche fusioni di buchi neri, le cui increspature sono state accidentalmente piegate verso la Terra da ignote galassie lungo il tragitto.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 18 gennaio 2019. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)

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