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Spitzer rileva con precisione i tempi della "danza" tra due buchi neri

30 aprile 2020
I buchi neri non sono fermi nello spazio ma possono essere abbastanza attivi nei loro movimenti. Poiché sono completamente oscuri e non possono essere osservati direttamente, non sono facili da studiare. L'osservatorio a infrarossi Spitzer, recentemente ritirato, è stato l'unico telescopio a individuare un lontano lampo di luce che contiene indizi sulle caratteristiche fisiche di questi misteri cosmici.

La galassia di OJ 287 ospita uno dei più grandi buchi neri mai trovati, con oltre 18 miliardi di volte la massa del nostro Sole. In orbita attorno a questo colosso vi è un altro buco nero di circa 150 milioni di volte la massa del Sole. Due volte ogni 12 anni il buco nero più piccolo si schianta attraverso l'enorme disco di gas che circonda il suo compagno più grande, creando un lampo di luce più luminoso di un trilione di stelle - più luminoso, persino, dell'intera galassia della Via Lattea. E questa luce impiega 3,5 miliardi di anni per raggiungere la Terra. Ma l'orbita del buco nero più piccolo è oblunga, non circolare, ed è irregolare: cambia posizione ad ogni giro attorno al buco nero più grande ed è inclinata rispetto al disco di gas. Quando il buco nero più piccolo si schianta sul disco, crea due bolle di gas caldo in espansione che si allontanano dal disco in direzioni opposte e in meno di 48 ore il sistema sembra quadruplicare in luminosità.
A causa dell'orbita irregolare, il buco nero si scontra con il disco in momenti diversi durante ogni orbita di 12 anni. A volte i brillamenti appaiono a distanza di appena un anno e, altre volte, a meno di 10. I tentativi di creare un modello dell'orbita e prevedere quando si sarebbero verificati i lampi hanno impiegato decenni ma nel 2010 gli scienziati sono riusciti a stabilire un modello che avrebbe potuto prevedere il loro verificarsi entro tre settimane e ne hanno dimostrato la correttezza prevedendo la comparsa di un bagliore nel dicembre 2015.
Nel 2018, un gruppo di scienziati guidato da Lankeswar Dey, uno studente laureato presso il Tata Institute of Fundamental Research di Mumbai, in India, ha pubblicato un documento con un modello ancora più dettagliato che secondo loro sarebbe stato in grado di prevedere i tempi dei futuri lampi entro quattro ore. In un nuovo studio pubblicato su Astrophysical Journal Letters, quegli scienziati hanno riportato che la loro previsione accurata di un brillamento, avvenuta il 31 luglio 2019, conferma che il modello è corretto.
L'osservazione di quel lampo in realtà non è proprio avvenuta. Poiché OJ 287 si trovava sul lato opposto del Sole rispetto alla Terra, quindi fuori dalla vista di tutti i telescopi a terra e in orbita terrestre, il buco nero non sarebbe tornato alla vista prima dell'inizio di settembre, molto tempo dopo che il lampo era ormai svanito. Ma il sistema era in vista dello Spitzer Space Telescope della NASA, che l'agenzia ha ritirato nel gennaio 2020. Dopo 16 anni di operazioni, l'orbita del veicolo spaziale l'aveva collocata a 254 milioni di chilometri dalla Terra, più di 600 volte la distanza tra Terra e Luna. Da questo punto di vista Spitzer poteva osservare il sistema dal 31 luglio (lo stesso giorno in cui si prevedeva il bagliore) fino all'inizio di settembre, quando la OJ 287 sarebbe diventata osservabile ai telescopi sulla Terra.
"Quando ho verificato per la prima volta la visibilità di OJ 287, sono rimasto scioccato nel constatare che è diventato visibile a Spitzer proprio nel giorno in cui si prevedeva il successivo brillamento", ha affermato Seppo Laine, uno scienziato associato presso il Caltech / IPAC di Pasadena , California, che ha supervisionato le osservazioni di Spitzer sul sistema. "È stata una grande fortuna l'aver potuto catturare il picco di questo bagliore con Spitzer, perché nessun altro strumento creato dall'uomo era in grado di effettuare la rilevazione in quel preciso momento."

Increspature nello spazio

Gli scienziati modificano regolarmente i modelli delle orbite di piccoli oggetti nel nostro Sistema Solare, come una cometa che gira intorno al Sole, tenendo conto dei fattori che influenzeranno in modo significativo il loro movimento. Per una cometa la gravità del Sole è di solito la forza dominante, ma anche l'attrazione gravitazionale dei pianeti vicini può cambiare il suo percorso.
Determinare il movimento di due enormi buchi neri è molto più complesso. Gli scienziati devono tenere conto di fattori che potrebbero non avere un impatto evidente su oggetti più piccoli; il principale tra loro sono quelle che chiamiamo le onde gravitazionali. La teoria della relatività generale di Einstein descrive la gravità come la deformazione dello spazio da parte della massa di un oggetto. Quando un oggetto si muove attraverso lo spazio, queste deformazioni si trasformano in onde. Einstein predisse l'esistenza delle onde gravitazionali nel 1916, ma non furono osservate direttamente fino al 2015 dal Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO).
Più grande è la massa di un oggetto, più grandi ed energiche sono le onde gravitazionali che crea. Nel sistema della OJ 287, gli scienziati si aspettano che le onde gravitazionali siano così grandi da poter trasportare abbastanza energia lontano dal sistema per alterare in modo misurabile l'orbita del buco nero più piccolo - e quindi i tempi dei brillamenti. Mentre precedenti studi della OJ 287 hanno tenuto conto delle onde gravitazionali, il modello 2018 è il più dettagliato finora. Incorporando le informazioni raccolte dai rilevamenti di onde gravitazionali da parte di LIGO, è stata perfezionata la finestra in cui si prevede che si verifichi un bagliore a solo 1 giorno e mezzo. Per perfezionare ulteriormente la previsione dei lampi a sole quattro ore, gli scienziati hanno guardato in dettaglio le caratteristiche fisiche del buco nero più grande. In particolare, il nuovo modello ha incorporato quello che si chiama il Teorema no-hair.
Pubblicato negli anni 60 da un gruppo di fisici che includeva Stephen Hawking, il teorema fa una previsione sulla natura delle "superfici" del buco nero. Mentre i buchi neri non hanno superfici vere, gli scienziati sanno che esiste un confine al di là del quale nulla - nemmeno la luce - può sfuggire. Alcune idee suggeriscono che il bordo esterno, chiamato orizzonte degli eventi, potrebbe essere irregolare o irregolare, ma il teorema no-hair presuppone che la "superficie" non abbia tali caratteristiche, non possieda nemmeno un capello (da qui il nome del teorema). In altre parole, se si tagliasse il buco nero al centro lungo il suo asse di rotazione, la superficie sarebbe simmetrica. (L'asse di rotazione della Terra è quasi perfettamente allineato con i suoi poli nord e sud. Se tagliate il pianeta a metà lungo quell'asse e confrontate le due metà, scoprireste che il nostro pianeta è per lo più simmetrico, sebbene caratteristiche come oceani e montagne ne creino piccole variazioni tra le metà.)

Alla ricerca di simmetria

Negli anni 70, il professore emerito di Caltech Kip Thorne descrisse come lo scenario di un satellite in orbita attorno a un enorme buco nero avrebbe potuto potenzialmente rivelare se la superficie del buco nero fosse liscia o irregolare. Anticipando correttamente l'orbita del buco nero più piccolo con tale precisione il nuovo modello supporta il Teorema no-hair, il che significa che la nostra comprensione di base di questi incredibili oggetti cosmici è corretta. Il sistema OJ 287, in altre parole, sostiene l'idea che le superfici dei buchi neri siano simmetriche lungo i loro assi di rotazione.
Dunque, in che modo la liscia superficie del buco nero influisce sui tempi dell'orbita del buco nero più piccolo?
Quell'orbita è determinata principalmente dalla massa del buco nero più grande. Se diventasse più massiccio o perdesse un po 'del suo peso, ciò cambierebbe le dimensioni dell'orbita del buco nero più piccolo. Ma anche la distribuzione della massa è una questione importante. Un enorme rigonfiamento su un lato del buco nero più grande distorcerebbe lo spazio attorno ad esso in modo diverso rispetto a un buco nero simmetrico. Ciò altererebbe quindi il percorso del buco nero più piccolo mentre orbita attorno al suo compagno e cambierebbe in modo misurabile il momento della collisione del buco nero con il disco su quella particolare orbita.
È importante per tutti gli scienziati di buchi neri che venga dimostrato o confutato il Teorema no-hair, senza di esso infatti non potremmo credere che i buchi neri previsti da Hawking e altri studiosi possano esistere.

fonti: NASA Jet Propulsion Laboratory

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