Assisteremo in diretta alla fusione di due buchi neri ?

Di Clara Moskowitz

Due buchi neri supermassicci al centro di un quasar sarebbero ormai così vicini da fondersi entro 21 anni. Se le osservazioni che hanno portato a questa conclusione saranno confermate, presto gli astronomi potranno osservare uno degli eventi più estremi dell'universo. E potrebbe essere l'occasione buona per osservare le onde gravitazionali prodotte dal cataclisma cosmico.

La maggior parte delle galassie ha un buco nero supermassiccio in agguato al proprio centro, ma una galassia a 10,5 miliardi di anni luce di distanza dal Sole sembra averne due: e la coppia potrebbe collidere entro 21 anni. Se le osservazioni saranno confermate, si tratterebbe della coppia di buchi neri più vicina finora nota, e la loro imminente collisione offrirebbe agli scienziati una possibilità senza precedenti di assistere in diretta a processi fisici estremi. [Video: Quando i buchi neri si scontrano]

Osservare direttamente i due probabili buchi neri èp impossibile. Oltre a essere neri, vale a dire invisibili, sono troppo distanti dalla Terra e troppo vicini l'uno all'altro per distinguerli con i telescopi. Ma gli scienziati hanno scoperto quella che ritengono la firma rivelatrice di una coppia di colossi che volteggiano insieme.

I buchi neri ben identificabili come tali si trovano nei quasar, galassie che rilasciano un diluvio di luce quando la loro massa viene inghiottita dal gigantesco buco nero al loro centro. La luce del quasar tremola in modo casuale, a seconda della quantità di massa inglobata, ma se al centro ci sono due buchi neri, e non uno, i loro moti orbitali dovrebbero perturbare il gas circostante in modo regolare, provocando un aumento e una diminuzione periodica della luce.

Tingting Liu, specializzando all'Università del Maryland a College Park, ha analizzato la luce proveniente da 316 quasar osservate nel Pan-STARRS 1 (Panoramic Survey Telescope e Rapid Response System) Medium-Deep Survey, un programma di scansione del cielo condotto con il telescopio Pan-STARRS1 che si trova sul monte Haleakala, nelle Hawaii. Durante la ricerca di modelli periodici della luce, un quasar dall'ingombrante nome PSO J334.2028 + 01.4075 si è rivelato quello con il segnale ricorrente più chiaro. Il/i buchi neri dovrebbero avere una massa complessiva stimabile fra 3 e 30 miliardi di volte quella del Sole. "In questo probabile buco nero binario supermassiccio la separazione delle due masse è così ridotta da poter dire che è in atto il processo di fusione", dice Suvi Gezari, capo del gruppo di ricerca di Liu e coautore di un articolo sulla scoperta accettato per la pubblicazione da “The Astrophysical Journal Letters”.

Assisteremo alla fusione di due buchi neri in diretta? — Simulazione della dinamica del processo di fusione di due buchi neri (Cortesia Stuart Shapiro, University of Illinois at Urbana-Champaign)

In realtà, per i buchi neri l'imminente impatto avverrà anche prima dei 21 anni indicati. Nel loro sistema di riferimento avverrà infatti entro soli sette anni, ma causa di un fenomeno chiamato dilatazione cosmologica del tempo, legato all'espansione dell'universo, dal nostro punto di osservazione sulla Terra l'incidente sembrerà avvenire tra 21 anni. "E' stata una scoperta fortuita", dice Stuart Shapiro, astrofisico teorico all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, non coinvolto nella ricerca. "Non conosciamo alcun altro candidato che sia così vicino [alla fusione]". Ma, aggiunge, "intendiamoci: anche se non li vediamo, probabilmente in giro ce ne sono molti di più".

Con il proseguimento di Pan-STARRS1 e di altre indagini in grado di monitorare nel tempo questi sistemi alla ricerca di variazioni periodiche, gli astronomi si aspettano di trovare altri buchi neri binari. Shapiro usa simulazioni al computer per prevedere che cosa accade quando si fondono buchi neri giganti. La possibilità di osservare un evento reale offrirebbe a lui e agli altri astrofisici teorici una preziosa opportunità per controllare i loro calcoli.

"Quando due buchi neri si avvicinano sufficientemente, pensiamo che di colpo si precipitino uno sull'altro e si fondano", dice Shapiro. "Questo 'tuffo' e questa fusione daranno luogo a una raffica di onde gravitazionali, con uno scoppio iniziale che poi diminuirà progressivamente via via che il suono residuo si affievolirà, come una campana." Queste vibrazioni simili a quelle di una campana dovrebbero generare spirali di onde gravitazionali, increspature che stirano e rilassano la trama dello spaziotempo.

Queste increspature potrebbero essere rilevabili con i cosiddettipulsar timing arrays, che per individuare alterazioni nelle onde gravitazionali sfruttano come orologi naturali le stelle in rapida rotazione note come pulsar. Le pulsar ruotano in modo estremamente regolare, proiettando fasci di luce proprio come i fari. Se un'onda gravitazionale attraversa lo spazio, la loro luce potrebbe arrivare fuori orario. Confrontando i tempi di molte pulsar in tutto il cosmo, gli astronomi potrebbero identificare l'origine temporale e spaziale di un'onda gravitazionale. "In questo momento non abbiamo la sensibilità necessaria a rilevare questo sistema [PSO J334.2028 + 01.4075], ma attraverso varie indagini stiamo trovando sempre più candidati, per cui questo sistema è potenzialmente solo la punta di un iceberg", dice Xavier Siemens dell'Università del Wisconsin a Milwaukee, che dirige il progetto North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) per la rilevazione dei tempi delle pulsar. "E' qualcosa che potremo individuare con i radiotelescopi di nuova generazione", aggiunge. "Come il Kilometer Square Array" che dovrebbe partire intorno al 2025 in Sud Africa e Australia.

Se J334.2028 PSO + 01.4075 sia effettivamente un buco nero binario è però ancora una questione aperta. George Djorgovski, un astronomo del Caltech che recentemente ha trovato un altro quasar candidato a contenere un doppio buco nero, non è convinto. "La loro analisi e le loro conclusioni mi lasciano scettico", dice. Infatti, Pan-STARRS1 ha osservato quel sistema solo poche volte, quindi l'apparente variazione nella luce potrebbe rivelarsi un evento casuale. Inoltre, la probabilità di trovare un evento raro esaminando un campione di dimensioni relativamente piccole (316 quasar) è bassa. "Le probabilità di incappare in una coppia di buchi neri con una separazione così piccola da portare alla loro fusione nel giro di alcuni anni, è probabilmente inferiore a una su un milione", aggiunge. "Liu e colleghi dovrebbero essere davvero molto fortunati."

Gli astronomi non dovranno aspettare molto per scoprirlo. Liu e i suoi collaboratori hanno calcolato che la luce del quasar fluttua con un periodo regolare di circa 542 giorni, il che significa che i prossimi dati dovrebbero presto confermare o confutare il modello. "E' davvero facile testare la persistenza di questa fluttuazione periodica", spiega Gezari. "E se ci sono realmente due buchi neri che stanno iniziando a spiraleggiare uno verso l'altro, il loro periodo dovrebbe essere sempre più piccolo. Di fatto possiamo controllare quel cambiamento in funzione del tempo.” Se il modello reggerà, gli astronomi potranno prenotarsi un posto in prima fila per uno degli eventi più estremi della natura.

(La versione originale di questo articolo è apparsa su scientificamerican.com il 22 maggio. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)

http://www.lescienze.it/news/2015/05/30/news/fusione_buchi_neri_entro_21_anni-2630473/