La fusione di due buchi neri si articola in tre fasi: fase di spiraleggiamento, fase di fusione e fase di ringdown. In ciascuna fase vengono emesse onde gravitazionali caratteristiche. L'ultima fase di ringdown è molto breve e contiene informazioni sulle proprietà del buco nero finale . La rianalisi dei dati relativi all'evento di fusione di buchi neri binari GW190521 ha fornito, per la prima volta, la prova di scosse di assestamento caratteristiche della fusione, sotto forma di due distinte deboli frequenze di ringdown prodotte dal singolo buco nero risultante mentre si stabilizzava in una forma simmetrica. Questa è la prima rilevazione di frequenze multiple di onde gravitazionali nella fase di ringdown. Proprio come una campana "suona" per un certo periodo dopo essere stata bloccata, il singolo buco nero distorto formatosi dopo la fusione "suona" per un certo periodo emettendo deboli onde gravitazionali prima di raggiungere una forma stabile e simmetrica. E, così come la forma della campana determina le specifiche frequenze con cui suona, analogamente, secondo il teorema del "no-hair", la massa e lo spin del buco nero determinano le frequenze di ringdown. Pertanto, questo sviluppo apre la strada all'utilizzo delle frequenze di decadimento per studiare le proprietà del buco nero finale.
I buchi neri sono oggetti massicci con campi gravitazionali estremamente intensi. Quando due buchi neri in orbita spiraleggiano l'uno intorno all'altro e alla fine si fondono, il tessuto dello spaziotempo circostante viene perturbato, generando onde gravitazionali che si propagano verso l'esterno. Dal settembre 2015, quando l'astronomia delle onde gravitazionali ha avuto inizio 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, le fusioni di buchi neri vengono ora rilevate regolarmente quasi una volta a settimana.
La fusione di due buchi neri si articola in 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 verso orbite sempre più piccole man mano che l'energia del sistema viene dissipata sotto forma di onde gravitazionali . Questa è la fase di spiraleggiamento della coalescenza. La fase successiva è la fase di fusione , in cui i due buchi neri si avvicinano a sufficienza da coalescere e formare un singolo buco nero dalla forma distorta. In questa fase vengono emesse le onde gravitazionali (GW) più intense, che vengono ormai regolarmente rilevate e registrate dagli osservatori di onde gravitazionali.
La fase di fusione è seguita da una fase molto breve, chiamata fase di "ringdown" , durante la quale il buco nero singolo e distorto risultante raggiunge rapidamente una forma sferica o sferoidale più stabile. Le onde gravitazionali emesse nella fase di ringdown sono smorzate e molto più deboli rispetto a quelle rilasciate nella fase di fusione. Proprio come una campana "suona" per un certo periodo dopo essere stata bloccata, il buco nero singolo risultante "suona" per un certo periodo emettendo onde gravitazionali molto più deboli prima di raggiungere una forma stabile e simmetrica.
Le deboli frequenze multiple di decadimento delle onde gravitazionali rilasciate durante la fase di decadimento della fusione di due buchi neri non sono state finora rilevate.
Un team di ricerca è recentemente riuscito a rilevare diverse frequenze di onde gravitazionali nella fase di decadimento dell'evento di fusione di buchi neri binari GW190521. Hanno cercato singoli toni di decadimento nelle frequenze di decadimento senza considerare alcuna relazione con le frequenze e i tempi di smorzamento e sono riusciti a identificare due modi, il che implica che il buco nero deformato risultante ha emesso almeno due frequenze dopo la fusione. Questo era previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein, quindi il risultato conferma la teoria. Inoltre, i ricercatori hanno confrontato le frequenze e i tempi di smorzamento dei due modi di decadimento trovati nell'evento di fusione per testare il "teorema del non-capello" (secondo cui i buchi neri sono completamente caratterizzati da massa e spin e non è necessario alcun altro "capello" per descriverne le caratteristiche) e non hanno trovato nulla al di là della 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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Fonti:
- 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
- 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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