Miliardi di anni fa, due buchi neri molto più massicci del Sole - 31 e 19 masse solari ciascuno - si fusero insieme in una galassia lontana. Il 4 gennaio 2017, queste onde gravitazionali, viaggiando attraverso l'Universo alla velocità della luce, hanno finalmente raggiunto la Terra, dove hanno compresso e allungato il nostro pianeta in diversi atomi. Questo è stato sufficiente per due rilevatori LIGO a Washington e Louisiana per raccogliere il segnale e ricostruire esattamente cosa è successo. Per la terza volta nella storia, abbiamo osservato direttamente le onde gravitazionali. Nel frattempo, i telescopi e gli osservatori di tutto il mondo, compresi quelli nell'orbita terrestre, stavano cercando un segnale completamente diverso: qualcosa come la luce o la radiazione elettromagnetica che questi buchi neri che si fondono potrebbero emettere.
Un'illustrazione di due buchi neri che si fondono di massa paragonabile a quelli visti in LIGO. Ci si aspetta che una tale fusione produca pochissimi segnali elettromagnetici, ma la presenza di una sostanza altamente riscaldata vicino a tali oggetti può cambiarlo.
Secondo i nostri migliori modelli fisici, la fusione dei buchi neri non dovrebbe emettere alcuna luce. Una singolarità massiccia circondata da un orizzonte degli eventi può emettere onde gravitazionali a causa della mutevole curvatura dello spazio-tempo, poiché ruota attorno a un'altra massa gigante, e la relatività generale lo implica. Poiché l'energia gravitazionale sotto forma di radiazione deve provenire da qualche parte, il buco nero finale dopo la fusione sarà di diverse masse solari più leggero della somma delle sorgenti che lo hanno generato. Ciò è completamente in linea con altre due fusioni osservate da LIGO: circa il 5% delle masse originali è stato convertito in pura energia sotto forma di radiazione gravitazionale.
Le masse dei sistemi binari di buchi neri conosciuti, comprese tre fusioni LIGO confermate e un candidato alla fusione
Ma se c'è qualcosa al di fuori di questi buchi neri, come un disco di accrescimento, un firewall, un guscio duro, una nuvola diffusa o qualsiasi altra cosa, l'accelerazione e il riscaldamento di questo materiale possono creare radiazioni elettromagnetiche che viaggiano insieme alle nostre onde gravitazionali. Dopo il primo rilevamento LIGO, il monitor Fermi Gamma-ray Burst ha dichiarato di aver rilevato una scarica di alta energia coincidente con il tempo del segnale dell'onda gravitazionale. Sfortunatamente, il satellite ESA non solo non è riuscito a confermare i risultati di Fermi, ma gli scienziati che lavoravano lì hanno scoperto un difetto nell'analisi di Fermi dei loro dati, screditando completamente i loro risultati.
Fusione di due buchi neri attraverso gli occhi di un artista, con un disco di accrescimento. La densità e l'energia della materia non dovrebbero essere sufficienti qui per creare raggi gamma o lampi di raggi X, ma chissà di cosa è capace la natura.
La seconda fusione non ha mostrato tali accenni di segnali elettromagnetici, ma questo non è sorprendente: i buchi neri erano significativamente più leggeri in massa, quindi qualsiasi segnale generato sarebbe stato di conseguenza inferiore in grandezza. Ma anche la terza fusione era di massa, più paragonabile alla prima che alla seconda. Anche se Fermi non ha detto nulla e anche il satellite Integral dell'ESA è rimasto in silenzio, c'erano due indizi che avrebbero potuto verificarsi radiazioni elettromagnetiche. Il satellite AGILE dell'Agenzia spaziale italiana ha registrato un debole bagliore di breve durata che si è verificato mezzo secondo prima della fusione a LIGO, e le osservazioni a raggi X, radio e ottiche combinate sono state identificate in modo strano.
Se tutto ciò potesse essere attribuito alla fusione dei buchi neri, sarebbe assolutamente incredibile. Sappiamo così poco dei buchi neri in generale, cosa possiamo dire della fusione di quelli. Non li abbiamo mai visti con i nostri occhi, anche se l'Event Horizon Telescope scatta una foto prima della fine di quest'anno. Abbiamo scoperto proprio quest'anno che i buchi neri non hanno gusci rigidi che circondano l'orizzonte degli eventi, ma questo fatto era anche statistico. Quindi, quando si tratta della possibilità che i buchi neri possano avere perdite elettromagnetiche, vale la pena mantenere una mente aperta.
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Quasar distanti e massicci mostrano buchi neri supermassicci nei loro nuclei e le loro perdite elettromagnetiche sono facili da rilevare. Ma non abbiamo ancora visto la fusione dei buchi neri (specialmente quelli con massa ridotta, meno di 100 soli) emettere qualcosa che può essere rilevato.
Sfortunatamente, nessuna di queste osservazioni fornisce i dati necessari per portarci a concludere che la fusione dei buchi neri può emettere qualcosa nello spettro elettromagnetico. In generale, è abbastanza difficile ottenere prove convincenti, poiché anche i rivelatori gemelli LIGO, lavorando con incredibile precisione, non sono in grado di individuare la posizione del segnale dell'onda gravitazionale con maggiore precisione rispetto a una o tre costellazioni. Poiché le onde gravitazionali e le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce, è estremamente improbabile che ci sarà un ritardo di quasi 24 ore tra i due. Inoltre, l'evento transitorio si verifica a una distanza che non gli consente di essere associato a un'onda gravitazionale.
L'area di osservazione dell'osservatorio AGILE al momento delle osservazioni LIGO con la possibile posizione della sorgente di onde gravitazionali mostrata nei contorni viola
Le osservazioni di AGILE potrebbero potenzialmente suggerire che sta accadendo qualcosa di interessante. Nel momento in cui è stato rilevato l'evento dell'onda gravitazionale, AGILE si è rivolto a un'area dello spazio che contiene il 36% dell'area di studio LIGO. Secondo gli scienziati, "l'eccesso di fotoni a raggi X rilevati" è apparso da qualche parte al di sopra del normale sfondo medio. Ma guardando i dati, la prima domanda che gli scienziati si pongono è: quanto sono convincenti?
Pochi secondi prima della fusione di LIGO, hanno tirato fuori un evento interessante, etichettato E2 nei tre grafici sopra. Dopo un'analisi approfondita in cui hanno correlato ciò che vedono e il tipo di fluttuazioni casuali che possono verificarsi naturalmente, hanno concluso che era successo qualcosa di interessante con una probabilità del 99,9%. In altre parole, hanno visto un segnale reale, non una fluttuazione casuale. Ci sono molti oggetti nell'Universo che emettono raggi gamma e raggi X che compongono lo sfondo. Ma l'incidente può essere collegato alla fusione gravitazionale di due buchi neri?
Simulazioni al computer della fusione di due buchi neri con la produzione di onde gravitazionali. La domanda è: questo segnale accompagna qualche esplosione elettromagnetica?
Se è così, perché gli altri satelliti non l'hanno visto? Al momento, possiamo concludere che se i buchi neri avessero una parte elettromagnetica, essa:
- estremamente debole
- nasce solo a basse energie
- non ha componenti ottiche, radio o raggi gamma brillanti
- non si verifica contemporaneamente al rilascio di onde gravitazionali.
I buchi neri binari di 30 masse solari, rilevati per la prima volta da LIGO, sono difficili da formare senza collasso diretto. Ora, quando sono già stati osservati due volte, è diventato chiaro che tali coppie di buchi neri sono abbastanza comuni. Hanno radiazioni elettromagnetiche?
Inoltre, tutto ciò che vediamo si adatta perfettamente al fatto che la fusione dei buchi neri non ha una parte elettromagnetica. Ma potrebbe essere perché non disponiamo di dati sufficienti? Se costruiamo più rilevatori di onde gravitazionali, vediamo più fusioni di buchi neri di massa elevata, li localizziamo meglio, vediamo più eventi transitori, possiamo trovare la risposta a questa domanda. Se le missioni e gli osservatori che dovrebbero raccogliere tali dati vengono costruiti, commissionati e messi in orbita, se necessario, tra 15 anni riceveremo conferme scientifiche.
ILYA KHEL
