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

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

Le GU 287 galassia, situata nella costellazione del Cancro a 3.5 miliardi di anni luce dalla Terra, ha due buchi neri: quello più grande con oltre 18 miliardi di volte la massa del Sole e in orbita attorno a questo è un buco nero più piccolo con circa 150 milioni di volte la massa solare, e formano un sistema binario di buchi neri. Mentre orbita attorno a quello più grande, il buco nero più piccolo si schianta attraverso l'enorme disco di accrescimento di gas e polvere che circonda il suo compagno più grande, creando un lampo di luce più luminoso di un trilione di stelle.

Il buco nero più piccolo si scontra con il disco di accrescimento di quello più grande due volte ogni dodici anni. Tuttavia, a causa della sua orbita oblunga irregolare (chiamata quasi-Keplarian nella terminologia matematica, come mostrato nella figura sottostante), i brillamenti possono apparire in momenti diversi, a volte anche a distanza di un anno; altre volte, fino a 10 anni di distanza (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 il verificarsi con un errore di circa una o tre settimane. L'accuratezza del modello è stata dimostrata prevedendo la comparsa di un bagliore nel dicembre 2015 entro tre settimane.

Un'altra importante informazione che ha contribuito alla realizzazione di una teoria di successo del sistema binario di buchi neri OJ 287 è il fatto che i buchi neri supermassicci possono essere fonti di onde gravitazionali - che è stato stabilito dopo l'osservazione sperimentale delle onde gravitazionali nel 2016, prodotto durante la fusione di due buchi neri supermassicci. Si prevede che la GU 287 sia la fonte delle onde gravitazionali infrarosse (2).

Nel 2018, un gruppo di astrofisici ha fornito un modello ancora più dettagliato e ha affermato di essere in grado di prevedere i tempi dei futuri brillamenti entro poche ore (3). Secondo questo modello, il prossimo flare si sarebbe verificato il 31 luglio 2019 e il tempo era previsto con un errore di 4.4 ore. Ha anche predetto la luminosità del bagliore indotto dall'impatto che si sarebbe verificato durante quell'evento. L'evento è stato catturato e confermato dal telescopio spaziale Spitzer della NASA (4), ritiratosi nel gennaio 2020. Per osservare l'evento previsto, Spitzer era la nostra unica speranza poiché questo bagliore non poteva essere visto da nessun altro telescopio a terra o nell'orbita terrestre , poiché il Sole era nella costellazione del Cancro con OJ 287 e la Terra ai lati opposti di essa. Questa osservazione ha anche dimostrato che OJ 287 emette onde gravitazionali nella lunghezza d'onda dell'infrarosso, come previsto. Secondo questa teoria proposta, il brillamento indotto dall'impatto da OJ 287 dovrebbe avvenire nel 2022.

Le osservazioni di questi bagliori mettono un vincolo sul “Nessun teorema sui capelli” (5,6) che afferma che mentre i buchi neri non hanno vere superfici, c'è un confine intorno a loro 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 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, cioè l'orizzonte degli eventi, potrebbe essere irregolare o irregolare, contraddicendo così il “Teorema No hair”. Tuttavia, se si deve dimostrare la correttezza del “Teorema No hair”, l'unica spiegazione plausibile è che la distribuzione non uniforme della massa del grande buco nero distorcerebbe lo spazio intorno ad esso in modo tale da portare ad un cambiamento del percorso del buco nero più piccolo, e a sua volta modificano i tempi della collisione del buco nero con il disco di accrescimento su quella particolare orbita, provocando così un cambiamento nel tempo di comparsa dei brillamenti osservati.

Come prevedibile, buchi neri sono difficili da sondare. Quindi, mentre andiamo avanti, molte più osservazioni sperimentali riguardanti le interazioni dei buchi neri, con l'ambiente circostante così come con altri buchi neri, devono essere studiate prima di poter confermare la validità del "Teorema senza capelli".

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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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