L’origine dei buchi neri fusi nelle galassie nostre’sorelle’;

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Un buco nero di 31,5 masse solari e un buco nero compagno di 8,38 masse solari v
Un buco nero di 31,5 masse solari e un buco nero compagno di 8,38 masse solari visti di fronte alla loro nursery stellare generata al computer prima della fusione. Aaron M. Geller / Northwestern CIERA & NUIT-RCS; ESO / S. Brunier

Utilizzando strumenti di simulazione avanzati, un team dell’Università di Ginevra, della Northwestern University e dell’Università della Florida sta facendo luce sulla natura enigmatica di questi "mostri" celesti.

I buchi neri sono tra gli oggetti celesti più affascinanti del cosmo. La loro forza gravitazionale è così potente che nemmeno la luce può sfuggirvi. La rivoluzionaria rilevazione delle onde gravitazionali nel 2015, causate dalla fusione di due buchi neri, ha aperto nuovi campi di esplorazione. Da allora, decine di osservazioni simili hanno spinto gli astrofisici a sondare le loro origini. Grazie ai recenti progressi del codice POSYDON, utilizzato per simulare le popolazioni di stelle binarie, un team delle Università di Ginevra (UNIGE), Northwestern e Florida (UF) ha previsto l’esistenza di buchi neri massicci in fusione di trenta masse solari in galassie simili alla nostra. Questi risultati, che sfidano le teorie precedenti, sono pubblicati su Nature Astronomy.

I buchi neri sono oggetti celesti creati dal collasso di stelle la cui massa può essere diverse centinaia di volte quella del nostro Sole. Il loro campo gravitazionale è così intenso che né la materia né le radiazioni possono sfuggirgli, rendendoli estremamente difficili da rilevare. Pertanto, quando nel 2015 il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha rilevato le minuscole increspature nello spazio-tempo prodotte dalla fusione di due buchi neri, le osservazioni hanno mandato in fibrillazione il mondo scientifico. Secondo gli astrofisici, i due buchi neri all’origine del segnale erano circa 30 volte la massa del Sole e si trovavano a 1,5 miliardi di anni luce di distanza.

Avvicinare teoria e realtà

Quali meccanismi producono questi buchi neri? Sono il prodotto dell’evoluzione di due stelle, simili al nostro Sole ma molto più massicce, che si evolvono all’interno di un sistema binario? Oppure sono il risultato dell’incontro casuale di buchi neri in ammassi stellari densamente popolati? Potrebbe essere coinvolto un meccanismo più esotico? Queste domande sono oggetto di un acceso dibattito.

La collaborazione POSYDON, che comprende scienziati delle Università di Ginevra (UNIGE), Northwestern e Florida (UF), ha compiuto progressi significativi nella simulazione delle popolazioni di stelle binarie. Questo lavoro fornisce risposte più precise e riconcilia le previsioni teoriche con i dati osservativi. Poiché è impossibile osservare direttamente la formazione di buchi neri binari, è necessario affidarsi a simulazioni che ne riproducano le proprietà osservative. Lo facciamo simulando sistemi di stelle binarie dalla loro nascita alla formazione di sistemi di buchi neri binari", spiega Simone Bavera, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Astronomia della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra e autore principale di questo studio.

Spingendo indietro i limiti della simulazione

L’interpretazione delle origini dei buchi neri binari in fusione, come quelli osservati nel 2015, richiede il confronto tra le previsioni dei modelli teorici e le osservazioni reali. La tecnica utilizzata per modellare questi sistemi è nota come "sintesi della popolazione binaria". Essa simula l’evoluzione di decine di milioni di sistemi stellari binari per stimare le proprietà statistiche delle sorgenti di onde gravitazionali risultanti.

Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo in tempi ragionevoli, gli scienziati hanno finora fatto ricorso a modelli che utilizzano metodi approssimativi per simulare l’evoluzione delle stelle e le loro interazioni binarie. Pertanto, una semplificazione eccessiva della fisica delle stelle singole e binarie porta a previsioni meno accurate", spiega Anastasios Fragkos, professore assistente presso il Dipartimento di Astronomia della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra.

POSYDON ha permesso di superare queste limitazioni. Progettato come pacchetto software, utilizza un’ampia libreria precompilata di simulazioni dettagliate di stelle singole e binarie per prevedere l’evoluzione di sistemi binari isolati. Ciascuna di queste simulazioni dettagliate può richiedere fino a 100 ore di CPU per essere eseguita su un supercomputer, rendendo questa tecnica di simulazione non direttamente applicabile alla sintesi della popolazione binaria.

Tuttavia, precalcolando una libreria di simulazioni che coprono l’intero spazio delle condizioni iniziali, POSYDON può utilizzare questo insieme di dati con metodi di apprendimento automatico per prevedere l’evoluzione completa dei sistemi binari in meno di un secondo. Questa velocità è paragonabile a quella dei codici di sintesi rapida delle popolazioni di precedente generazione, ma con una maggiore precisione", spiega Jeffrey Andrews, professore assistente presso il Dipartimento di Fisica dell’UF.

Introduzione di un nuovo modello

I modelli che hanno preceduto POSYDON prevedevano un tasso trascurabile di formazione di buchi neri binari in galassie simili alla Via Lattea e non prevedevano l’esistenza di buchi neri in fusione massicci fino a 30 volte la massa del nostro Sole. POSYDON ha dimostrato che tali buchi neri potrebbero esistere in galassie simili alla nostra", spiega Vicky Kalogera, professore del Dipartimento di Fisica e Astronomia della Northwestern, direttore del Centro per l’Esplorazione e la Ricerca Interdisciplinare in Astrofisica (CIERA) e coautore di questo studio.

I modelli precedenti sovrastimano alcuni aspetti, come l’espansione delle stelle massicce. Questo ha portato a una sovrastima della loro perdita di massa, che ha un impatto diretto sulle interazioni binarie. Questi elementi sono fondamentali per determinare le proprietà dei buchi neri in fusione. Grazie a simulazioni completamente autoconsistenti della struttura stellare dettagliata e delle interazioni binarie, POSYDON ottiene previsioni più accurate delle proprietà dei buchi neri binari in fusione, come le loro masse e i loro spin.

Questo studio è il primo a utilizzare il software POSYDON. Fornisce nuove conoscenze sui meccanismi di formazione dei buchi neri in fusione in galassie come la nostra. Il team di ricerca sta attualmente sviluppando una nuova versione di POSYDON, che includerà una libreria più ampia di simulazioni stellari dettagliate, in grado di simulare le binarie in una più ampia varietà di tipi di galassie.

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