Potentissima onda gravitazionale generata da buchi neri “impossibili”: mistero nello spazio profondo

7 miliardi di anni fa, nel cuore dello spazio profondo, due buchi neri di grandi dimensioni si fusero fra di essi, sprigionando una enorme quantità di energia che diede vita a un'onda gravitazionale, un'increspatura dello spaziotempo. Quell'incontro avvenuto quando il Sistema solare ancora non era nato – e di conseguenza anche la Terra – è stato svelato lo scorso anno, il 21 maggio, grazie ai due interferometri LIGO (sito negli Stati Uniti) e Virgo (costruito in Italia, in provincia di Pisa) che hanno intercettato la “firma” dell'onda gravitazionale. Il segnale, chiamato GW 190521 dagli scienziati, è durato appena un decimo di secondo, ma è stato più che sufficiente per spalancare le porte ad alcune delle più affascinanti scoperte in ambito astrofisico.

Al di là dell'onda gravitazionale in sé, la più lontana nello spazio e nel tempo mai individuata, a rendere particolarmente interessante il fenomeno sono stati proprio i due buchi neri coinvolti. Si tratta infatti dei due “cuori di tenebra” più grandi mai coinvolti (tra quelli scoperti) nella produzione di un'onda gravitazionale. Il primo era di 65 masse solari, mentre il secondo di ben 85. Quello più piccolo si trova al limite delle dimensioni che può avere un buco nero originato dalla “morte” di una stella massiccia: quando le stelle sono molto grandi – oltre le 130 masse solari – e giungono alla fine del proprio ciclo vitale, infatti, determinano un fenomeno chiamato “supernova di instabilità di coppia”, che in pratica disintegra completamente la stella e non viene prodotto un buco nero. Le stelle con una massa superiore alle 200 masse stellari, d'altro canto, collassano direttamente in un buco nero di almeno 120 masse stellai. Ciò determina l'esistenza di un cosiddetto “gap di massa superiore”, compreso tra le 65 e le 120 masse stellari, all'interno del quale non dovrebbero esistere buchi neri secondo i modelli astrofisici attuali. Eppure il secondo protagonista della scoperta ricade proprio all'interno di questo intervallo: com'è possibile?

Secondo gli autori dello studio, un copioso team di ricerca internazionale – tra cui molti italiani – guidato da scienziati della LIGO Scientific Collaboration e della Virgo Collaboration, il buco nero da 85 masse solari – il primo rilevato con certezza nel gap di massa superiore – potrebbe esistere perché non comprendiamo esattamente come “funzionano” le supernovae che coinvolgono le stelle molto massicce, oppure perché anch'esso è nato dalla fusione di due buchi neri più piccoli. E a proposito di fusione, l'unione tra il buco nero di 65 e di 85 masse solari ha dato vita a un “mostro” di 142 masse solari. La somma non è un buco nero di 150 masse solari, come suggerirebbero i numeri, perché 8 masse solari sono state perdute attraverso il rilascio di energia, proprio quella che ha causato l'onda gravitazionale intercettata dagli astrofisici.

Anche il buco nero di 142 masse solari è il primo mai individuato con certezza tra le 100 e le 1.000 masse solari, trovandosi nella cosiddetta "fascia intermedia". Ricordiamo infatti che al centro delle galassie si trovano i buchi neri supermassicci che possono avere una massa milioni o miliardi di volte maggiore quella del Sole. Al centro della Via Lattea, ad esempio, si trova Sagittarius A* che ha circa 4 milioni di volte la massa del Sole. Un recente studio ha scoperto tre coppie di questi mostri cosmici in fusione. La formazione e l'evoluzione dei buchi neri supermassicci è ancora un grande mistero per la scienza, dato che sono coinvolti processi differenti da quelli che coinvolgono i cuori di tenebra di massa stellare.

Insomma, grazie al LIGO e al Virgo in un colpo solo sono stati individuati due buchi neri con dimensioni “difficili da spiegare”; è stata osservata la fusione tra i due più grandi buchi neri coinvolti nella produzione di un'onda gravitazionale (a noi nota); e intercettato il segnale più lontano di questo genere. Tutto ciò ha aperto a innumerevoli domande alle quali gli astrofisici cercheranno di rispondere con le future ricerche, considerando che lo studio delle onde gravitazionali è praticamente iniziato adesso (la prima è stata intercettata nel 2015). I dettagli sulle affascinanti scoperte sono stati pubblicati in due articoli su Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters.