I bagliori del buco nero binario supermassiccio OJ 287 mettono un limite al "Teorema senza capelli"

L'osservatorio a infrarossi Spitzer della NASA ha recentemente osservato il brillamento del gigantesco sistema binario di buchi neri OJ 287, entro l'intervallo di tempo stimato e previsto dal modello sviluppato dagli astrofisici. Questa osservazione ha messo alla prova diversi aspetti della Relatività Generale, il "teorema del non capello", e ha dimostrato che OJ 287 è effettivamente una sorgente di onde gravitazionali infrarosse.

La galassia OJ 287 , situata nella costellazione del Cancro a 3.5 miliardi di anni luce dalla Terra, possiede due buchi neri : uno più grande con una massa superiore a 18 miliardi di volte quella del Sole e un altro più piccolo, con una massa pari a circa 150 milioni di volte quella solare , che gli orbita attorno. Insieme formano un sistema binario di buchi neri . Mentre orbita attorno al buco nero più grande, quest'ultimo si scontra con l'enorme disco di accrescimento di gas e polvere che circonda il suo compagno più grande, generando un lampo di luce più brillante di un trilione di stelle.

Il buco nero più piccolo collide con il disco di accrescimento di quello più grande due volte ogni dodici anni. Tuttavia, a causa della sua orbita oblunga irregolare (chiamata quasi-keplariana nella terminologia matematica, come mostrato nella figura sottostante), i brillamenti possono apparire in momenti diversi: a volte a distanza di appena un anno; altre volte, a distanza di ben 10 anni (1). Diversi tentativi di modellare l' orbita e prevedere quando si sarebbero verificati i brillamenti non hanno avuto successo fino al 2010, quando gli astrofisici hanno creato un modello in grado di prevederne l'occorrenza con un errore di circa una o tre settimane. L'accuratezza del modello è stata dimostrata prevedendo l'apparizione di un brillamento nel dicembre 2015 con un margine di errore di tre settimane.

Un altro importante elemento informativo che ha contribuito alla formulazione di una teoria di successo sul sistema binario di buchi neri OJ 287 è il fatto che i buchi neri supermassicci possono essere sorgenti di onde gravitazionali , come stabilito dopo l'osservazione sperimentale delle onde gravitazionali nel 2016, prodotte durante la fusione di due buchi neri supermassicci. Si prevede che OJ 287 sia la sorgente di onde gravitazionali infrarosse (2).

Nel 2018, un gruppo di astrofisici ha fornito un modello ancora più dettagliato, affermando di essere in grado di prevedere la tempistica dei futuri brillamenti con una precisione di poche ore (3). Secondo questo modello, il prossimo brillamento si sarebbe verificato il 31 luglio 2019 e l'orario è stato previsto con un errore di 4.4 ore. Ha anche previsto la luminosità del brillamento indotto dall'impatto che si sarebbe verificato durante quell'evento. L'evento è stato catturato e confermato dal telescopio spaziale Spitzer della NASA (4), che si è ritirato nel gennaio 2020. Per osservare l'evento previsto, Spitzer era la nostra unica speranza poiché questo brillamento non poteva essere visto da nessun altro telescopio sulla terra o in orbita terrestre , dato che il Sole si trovava nella costellazione del Cancro con OJ 287 e la Terra su lati opposti. Questa osservazione ha anche dimostrato che OJ 287 emette onde gravitazionali nella lunghezza d'onda infrarossa, come previsto. Secondo questa teoria, l'eruzione solare indotta dall'impatto del satellite OJ 287 dovrebbe verificarsi nel 2022.

Le osservazioni di questi brillamenti pongono un vincolo al “ teorema dell'assenza di capelli ” (5,6) che afferma che, sebbene i buchi neri non abbiano una vera superficie, esiste un confine attorno ad essi oltre il quale nulla – nemmeno la luce – può sfuggire. Questo confine è chiamato orizzonte degli eventi. Questo teorema postula anche che la materia che forma un buco nero o che vi cade dentro “scompare” dietro l’ orizzonte degli eventi del buco nero ed è quindi permanentemente inaccessibile agli osservatori esterni, suggerendo che i buchi neri “non hanno capelli”. Una conseguenza immediata del teorema è che i buchi neri possono essere caratterizzati completamente con la loro massa , carica elettrica e spin intrinseco. Secondo alcuni scienziati, questo bordo esterno del buco nero, ovvero l’orizzonte degli eventi, potrebbe essere irregolare o accidentato, contraddicendo così il “teorema dell’assenza di capelli”. Tuttavia, se si deve dimostrare la correttezza del "teorema dell'assenza di capelli", l'unica spiegazione plausibile è che la distribuzione non uniforme della massa del grande buco nero distorcerebbe lo spazio circostante in modo tale da provocare una variazione della traiettoria del buco nero più piccolo , e di conseguenza modificare il momento della collisione del buco nero con il disco di accrescimento su quella particolare orbita , causando così una variazione nel momento di comparsa dei brillamenti osservati.

Come prevedibile, i buchi neri sono difficili da studiare. Pertanto, prima di poter confermare la validità del "teorema dell'assenza di capelli", saranno necessarie molte altre osservazioni sperimentali riguardanti le interazioni dei buchi neri con l'ambiente circostante e con altri buchi neri.

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Riferimenti:

1. Valtonen V., Zola S., et al. 2016, "Rotazione del buco nero primario in OJ287 come determinato dal bagliore del centenario della relatività generale", Astrophys. J. Lett. 819 (2016) n.2, L37. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
2. Abate BP., et al. 2016. (Collaborazione scientifica LIGO e collaborazione Virgo), “Osservazione delle onde gravitazionali da una fusione di buchi neri binari”, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Dey L., Valtonen MJ., Gopakumar A. et al 2018. "Autenticazione della presenza di un enorme buco nero relativistico binario in GU 287 utilizzando la relatività generale Centenary Flare: parametri orbitali migliorati", astrofisica. J.866, 11 (2018). DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
4. Laine S., Dey L., et al 2020. "Osservazioni Spitzer del previsto Eddington Flare da Blazar OJ 287". Astrophysical Journal Letters, vol. 894, n. 1 (2020). DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
5. Gürlebeck, N., 2015. "Teorema senza capelli per i buchi neri in ambienti astrofisici", Physical Review Letters 114, 151102 (2015). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
6. Hawking Stephen W., et al 2016. Capelli morbidi sui buchi neri. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

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