Le simulazioni mostrano le conseguenze della collisione del buco nero

May 11, 2023

Nuove simulazioni di due buchi neriscontrandosi quasi alla velocità della luce rivelano la misteriosa fisica di quello che un astrofisico definisce "uno degli eventi più violenti che si possano immaginare nell'universo".

"È una cosa un po' folle far esplodere frontalmente due buchi neri molto vicini alla velocità della luce", ha detto Thomas Helfer, un ricercatore post-dottorato presso la Johns Hopkins University che ha prodotto le simulazioni. "Le onde gravitazionali associate alla collisione potrebbero sembrare deludenti, ma questo è uno degli eventi più violenti che si possano immaginare nell'universo."

Il lavoro, che appare su Physical Review Letters, è il primo sguardo dettagliato alle conseguenze di uno scontro così catastrofico e mostra come si formerebbe un buco nero residuo e invierebbe onde gravitazionali attraverso il cosmo.

Le fusioni di buchi neri sono uno dei pochi eventi nell’universo sufficientemente energetici da produrre onde gravitazionali rilevabili, che trasportano l’energia prodotta da massicce collisioni cosmiche. Come le increspature in uno stagno, queste onde attraversano l'universo distorcendo lo spazio e il tempo. Ma a differenza delle onde che viaggiano attraverso l’acqua, sono estremamente piccole e si propagano attraverso lo “spaziotempo”, il concetto sconvolgente che combina le tre dimensioni dello spazio con l’idea del tempo.

"Se un'onda gravitazionale mi attraversa, mi rende un po' più magro e un po' più alto, e poi un po' più basso e un po' più grasso", ha detto il coautore Emanuele Berti, fisico della Johns Hopkins. "Ma la quantità con cui lo fa è circa 100.000 volte più piccola della dimensione di un nucleo atomico."

I fisici hanno studiato le onde emesse dopo la fusione dei buchi neri semplificando la relatività generale – la teoria di Einstein su come funziona la gravità – utilizzando equazioni che ignorano gli effetti gravitazionali sottili, ma importanti, della fusione. Berti ritiene che questo approccio sia parziale perché si basa su “approssimazioni lineari”, ovvero sul presupposto che le onde gravitazionali prodotte durante la fusione siano deboli.

Sebbene sia quasi impossibile che i buchi neri entrino in collisione a velocità così estreme, la simulazione di un simile incidente ha prodotto segnali abbastanza forti da consentire al team di rilevare non linearità o effetti gravitazionali che non possono essere rilevati con la versione semplificata della teoria. I risultati suggeriscono che le fusioni dei buchi neri non possono essere studiate con equazioni linearizzate e che i modelli attuali di questi eventi devono essere modificati, se non cambiati del tutto.

"La relatività generale non è lineare, il che significa che le stesse onde gravitazionali produrranno anche più onde gravitazionali", ha affermato Mark Ho-Yeuk Cheung, uno studente di dottorato in fisica della Johns Hopkins che ha guidato la ricerca.

Il team ha anche individuato queste cosiddette non linearità analizzando le simulazioni di due buchi neri che si fondono dopo aver orbitato l’uno attorno all’altro, uno scenario che rappresenta in modo più realistico ciò che accade nell’universo. Uno studio sulle stesse simulazioni condotto da un gruppo indipendente di ricercatori del Caltech, appare anche nelle Physical Review Letters di oggi e trova risultati simili.

"È un grosso problema perché non possiamo dimenticare le complicazioni se vogliamo davvero capire i buchi neri", ha detto Cheung. "La teoria di Einstein è una bestia; le equazioni sono davvero complicate."

Gli autori includono Vishal Baibhav, della Northwestern University; Vitor Cardoso, dell'Istituto Niels Bohr e dell'Università di Lisbona; Gregorio Carullo, dell'Università Friedrich Schiller di Jena; Roberto Cotesta, della Johns Hopkins; Walter Del Pozzo, dell'Università di Pisa; Francisco Duque, dell'Università di Lisbona; Estuti Shukla, della Pennsylvania State University; e Kaze Wong, del Flatiron Institute. Baibhav e Wong sono ex studenti della Johns Hopkins.

Questa ricerca è stata supportata dalla Fondazione Croucher, dai finanziamenti NSF n. AST-2006538, PHY-2207502, PHY-090003 e PHY-20043 e dai finanziamenti NASA n. 19-ATP19-0051, 20-LPS20-0011 e 21-ATP21- 0010. Questo lavoro è stato prodotto con risorse computazionali presso il Maryland Advanced Research Computing Center e il Texas Advanced Computing Center.