Terzo rilevamento onde gravitazionali, indizi su materia oscura e buchi neri

Rilevate per la terza volta le onde gravitazionali, probabilmente i due buchi neri che le hanno generate non erano allineati.

L’ultima osservazione effettuata dai rilevatori ligo porta gli scienziati più vicini all'obiettivo di utilizzare le onde gravitazionali per vedere gli eventi antichi invisibili ai telescopi ottici e ai radiotelescopi.

Immagine 1 - La struttura LIGO Livingston mostra parti dei due bracci dell'interferometro. (Courtesy: Tushna Commissariat)

Le onde gravitazionali sono state rilevate per la terza volta dai fisici che lavorano ai rilevatori di onde gravitazionali del LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) negli Stati Uniti.

I fisici dell’osservatorio LIGO hanno rilevato le increspature nel tessuto dello spaziotempo innescate dalla fusione catastrofica di due buchi neri avvenuta più di 3 miliardi di anni fa.

Grazie a queste osservazioni gli scienziati hanno rilevato per la terza volta le onde gravitazionali, si tratta della compressione e dello stiramento dello spazio stesso previsto da Einstein.

L'ultimo rilevamento, da parte del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali) o LIGO, ha prodotto spunti di analisi intriganti sulla natura dei buchi neri e, potenzialmente, della materia oscura.

Il debole ronzio, raccolto dai rilevatori del LIGO il 4 gennaio 2017, potrebbe essere ricondotto alla violenta collisione di due buchi neri (aventi masse superiori alla massa del nostro sole di circa 31 e 19 volte rispettivamente) avvenuta più di 3 miliardi di anni fa. I due buchi neri si sono fusi andando a formare un unico buco nero avente una massa pari a quasi 49 volte quella del sole e un’energia residua fuoriuscita sotto forma di deformazioni che si sono diffuse verso l'esterno attraverso lo spaziotempo, in maniera simile alla diffusione delle increspature che attraversano la superficie di uno stagno.

Immagine 2 - Simulazione della fusione di buchi neri binari. La forza dell'onda gravitazionale è indicata dall'elevazione e dal colore; il colore blu indica un'intensità debole mentre il giallo un'intensità forte. Illustrazione: simulazione: S Ossokine, A Buonanno / visualizzazione: T Dietrich, R Haas
 

Gli scienziati di LIGO hanno fatto la prima osservazione (storica) delle onde gravitazionali nel settembre 2015, usando una coppia di tubi perpendicolari della lunghezza di 4 km, uno situato ad Hanford, nello stato di Washington e l'altro situato a Livingston, Luisiana. Un secondo rilevamento è avvenuto tre mesi dopo.

Con il terzo rilevamento, gli scienziati stanno cominciando ad avvicinarsi all’obiettivo di utilizzare le onde gravitazionali come un modo di osservare eventi cosmici che potrebbero risultare invisibili sia all’osservazione tramite telescopi ottici sia tramite radiotelescopi.

Immagine 3 - la scoperta fornisce nuovi indizi sulla misteriosa natura dei buchi neri e, potenzialmente, sulla materia oscura. Credit:  LSC/OzGrav

«Lo studio che stiamo effettuando non è finalizzato a rilevare soltanto le onde gravitazionali. Siamo veramente interessati a fare un nuovo tipo di astronomia» scrive Christopher Berry dell'Università di Birmingham e uno dei ricercatori del progetto LIGO.

I rivelatori sono abbastanza sensibili in modo da raccogliere le minuscole distorsioni (pari a un millesimo del diametro di un protone) all’interno dei raggi laser inviati nei tubi Ligo; è stato inoltre possibile ricreare in maniera approssimativa la dinamica delle collisioni.

Gli astronomi ritengono che quest’ultima osservazione fornisca gli indizi in merito alla direzione di rotazione dei buchi neri. Mentre una coppia di buchi neri si muove a spirale verso l'interno, in direzione di collisione, i buchi neri tendono a ruotare sui propri assi. Le ultime osservazioni suggeriscono che queste rotazioni sono disallineate. Questo potrebbe indicare che la coppia di buchi neri non si è formata da un sistema stellare binario ma da due buchi neri indipendenti che casualmente si sono uniti in un denso ammasso stellare primordiale.

Buchi neri e materia oscura

Le osservazioni sembrano essere coerenti con una delle spiegazioni più esotiche riguardante la natura della materia oscura, tale materia oscura dovrebbe avvolgere le galassie ed essere costituita da un insieme di piccoli buchi neri.

Secondo la teoria questi buchi neri dovrebbero essere nati nell'universo primordiale da frammenti di materiale – piuttosto che da stelle – che sono collassati verso l'interno. Le ultime osservazioni rivelano l'esistenza di buchi neri in una "finestra di massa" che sembrerebbe essere coerente con questa teoria. Tuttavia, la teoria è ancora vista come "leggermente esotica", sostiene Berry.

Lo studio mette ancora una volta alla prova le teorie di Albert Einstein. I ricercatori stanno cercando un effetto chiamato dispersione, che si verifica quando le onde luminose attraversano un mezzo fisico come il vetro a velocità diverse a seconda della loro lunghezza d'onda; lo stesso fenomeno che avviene quando un prisma crea un arcobaleno.

La teoria generale della relatività di Einstein proibisce il verificarsi della dispersione nelle onde gravitazionali mentre si propagano dalla loro fonte verso la Terra. Ligo non ha trovato prove di questo effetto.

«Sembra che Einstein avesse ragione, anche per quanto riguarda questo nuovo evento, verificatosi circa due volte più lontano rispetto al nostro primo rilevamento» scrive Laura cadonati del Georgia Tech e uno dei ricercatori del progetto. «Abbiamo visto che non c’è alcuna deviazione dalle previsioni della relatività generale, questa maggiore distanza ci aiuta a sostenere con maggior fiducia le previsioni della teoria di Einstein».

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Letters.