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Fusione di buchi neri: la prima rilevazione di frequenze ringdown multiple   

La fusione di due buchi neri ha tre fasi: fasi di ispirazione, fusione e ringdown. In ogni fase vengono emesse onde gravitazionali caratteristiche. L'ultima fase di ringdown è molto breve e codifica le informazioni sulle proprietà del buco nero finale. La rianalisi dei dati dell'evento di fusione del buco nero binario GW190521 ha fornito, per la prima volta, prove di scosse di assestamento distintive della fusione sotto forma di due deboli frequenze separate di ringdown prodotte dal risultante singolo buco nero mentre si stabilizzava in una forma simmetrica stabile. . Questa è la prima rilevazione di frequenze multiple di onde gravitazionali nella fase di ringdown. Proprio come una campana “suona” per un po’ di tempo dopo essere rimasta bloccata, il risultante buco nero distorto formatosi dopo la fusione “suona” per un po’ di tempo emettendo deboli onde gravitazionali prima di raggiungere una forma stabile e simmetrica. E, proprio il modo in cui la forma della campana determina le frequenze specifiche con cui suona, allo stesso modo, secondo il teorema senza capelli, la massa e la rotazione del buco nero determinano le frequenze di ringdown. Quindi, questo sviluppo apre la strada all’uso delle frequenze ringdown per studiare le proprietà del buco nero finale.  

I buchi neri sono oggetti massicci con campi gravitazionali estremamente forti. Quando due buchi neri orbitanti si muovono a spirale l’uno attorno all’altro e alla fine si uniscono, il tessuto dello spazio-tempo attorno a loro viene disturbato creando increspature di onde gravitazionali che si irradiano verso l’esterno. Dal settembre 2015, quando l’astronomia delle onde gravitazionali è iniziata con la prima rilevazione da parte di LIGO delle onde gravitazionali generate dalla fusione di due buchi neri a 1.3 miliardi di anni luce di distanza, i buchi neri che si fondono vengono ora rilevati regolarmente quasi una volta alla settimana.   

La fusione di buchi neri ha tre fasi. Quando i due buchi neri sono ampiamente separati, orbitano lentamente l’uno intorno all’altro emettendo deboli onde gravitazionali. Il sistema binario si sposta gradualmente su orbite sempre più piccole man mano che l'energia del sistema si perde sotto forma di onde gravitazionali. Questo è fase inspiratoria di coalescenza. Il prossimo è fase di fusione quando i due buchi neri si avvicinano abbastanza da fondersi per formare un unico buco nero dalla forma distorta. In questa fase vengono emesse le onde gravitazionali (GW) più forti che ora vengono regolarmente rilevate e registrate dagli osservatori di onde gravitazionali.  

Alla fase di fusione segue una brevissima fase denominata fase di ringdown in cui il singolo buco nero distorto risultante raggiunge rapidamente una forma sferica o sferoidale più stabile. Onde gravitazionali emesse nella fase di ringdown sono smorzate e molto più deboli rispetto alle GW rilasciate nella fase di fusione. Proprio come una campana “suona” per un po’ di tempo dopo essere rimasta bloccata, il singolo buco nero risultante “suona” per un po’ di tempo emettendo onde gravitazionali molto più deboli prima di raggiungere una forma stabile e simmetrica.  

Le deboli frequenze multiple di ringdown delle onde gravitazionali rilasciate durante la fase di ringdown della fusione di due buchi neri non sono state finora rilevate.  

Un gruppo di ricerca è recentemente riuscito a rilevare frequenze multiple di onde gravitazionali nella fase di ringdown dell’evento di fusione binaria del buco nero GW190521. Hanno cercato i singoli toni di dissolvenza nelle frequenze di ringdown senza considerare alcuna relazione con le frequenze e i tempi di smorzamento e sono riusciti a identificare due modalità che implicavano che il buco nero deformato risultante emettesse almeno due frequenze dopo la fusione. Ciò era stato previsto dalla relatività generale di Einstein, quindi il risultato conferma la teoria. Inoltre, i ricercatori hanno confrontato le frequenze e i tempi di smorzamento delle due modalità ringdown trovate nell’evento di fusione per testare il “teorema no-hair” (che i buchi neri sono completamente caratterizzati da massa e rotazione e non sono necessari altri “capelli” per descriverne la struttura). caratteristiche) e non trovò nulla oltre la relatività generale.  

Si tratta di una pietra miliare perché era opinione diffusa che l’osservazione di frequenze multiple di ringdown non sarebbe stata possibile prima che i rilevatori di onde gravitazionali di prossima generazione diventassero disponibili in futuro.  

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Fonte:   

  1. Capano, CD et al. 2023. Spettro quasinormale multimodale da un buco nero perturbato. Lettere di revisione fisica. vol. 131, numero 22. 1 dicembre 2023. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.221402  
  2. Max-Planck-Institut fürGravitationsphysik(Albert-Einstein-Institut), 2023. Novità – Per chi suona il buco nero. Disponibile a https://www.aei.mpg.de/749477/for-whom-the-black-hole-rings?c=26160 

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Giornalista scientifico | Editore fondatore della rivista scientifica europea

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