Un sistema di buchi neri binario ha mostrato una precessione causata da forze gravitazionali così intense che stanno trascinando lo spaziotempo
Nel febbraio 2016, gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno annunciato il primo rilevamento in assoluto delle onde gravitazionali (GW). Originariamente previste dalla teoria della relatività generale di Einstein, queste onde sono increspature nello spaziotempo che si verificano ogni volta che oggetti massicci (come i buchi neri e le stelle di neutroni) si fondono. Da allora, innumerevoli eventi GW sono stati rilevati da osservatori in tutto il mondo, al punto che sono diventati un evento quasi quotidiano. Ciò ha permesso agli astronomi di ottenere informazioni su alcuni degli oggetti più estremi dell'Universo.
In uno studio recente, un team internazionale di ricercatori guidato dall'Università di Cardiff ha osservato un sistema binario di buchi neri originariamente rilevato nel 2020 dagli osservatori LIGO, Virgo e KAGRA. Durante il processo, il team ha notato un particolare movimento di torsione (ovvero una precessione) nelle orbite dei due buchi neri in collisione che era 10 miliardi di volte più veloce di quanto osservato con altri oggetti in precessione. Questa è la prima volta che è stata osservata una precessione con buchi neri binari e che ha confermato l'ennesimo fenomeno previsto dalla Relatività Generale.
Un groviglio di spaziotempo
I buchi neri binari (BBH) sono considerati un ottimo candidato per la ricerca sulle onde gravitazionali poiché gli astronomi si aspettano che molti di essi siano in precessione. In questo scenario, i buchi neri girano l'uno intorno all'altro in orbite sempre più strette, generando onde gravitazionali sempre più forti fino a quando non si uniranno. Finora non è stata osservata alcuna prova definitiva di precessione orbitale dagli 84 sistemi BBH rilevati da LIGO e Virgo. Ma il team ha notato qualcosa di diverso durante l'esame dell'evento GW200129 rilevato durante il suo terzo ciclo operativo (O3).
Uno dei buchi neri in questo sistema (~40 masse solari) è considerato il buco nero con la rotazione più veloce mai rilevato attraverso le onde gravitazionali. A differenza di tutte le precedenti osservazioni di BBH, la rapida rotazione del sistema ha un effetto così profondo sullo spaziotempo che l'intero sistema oscilla avanti e indietro. Questa forma di precessione è nota come Frame Dragging (detto anche "effetto Lense-Thirring"), una conseguenza della Relatività Generale in cui le forze gravitazionali sono così forti da "trascinare" con sé il tessuto stesso dello spaziotempo creando dei veri e proprio "nodi".
Un fenomeno analogo si osserva osservando l'orbita di Mercurio, che periodicamente precede mentre orbita attorno al Sole. In pratica, il percorso di Mercurio attorno al Sole è molto eccentrico e anche il punto più distante della sua orbita (perielio) si muove nel tempo, ruotando attorno al Sole come una trottola. Nella relatività generale, la precessione è solitamente un effetto così debole da essere quasi impercettibile. Le onde gravitazionali sono estremamente deboli e per rilevarle è necessario l'apparato di misura più sensibile della storia. La precessione è un effetto ancora più debole sepolto all'interno di un segnale già debole, quindi sono necessarie analisi molto precise per riconoscerla.
Una conferma della precessione
In precedenza, l'esempio più noto era una pulsar binaria che impiegava oltre 75 anni per completare la sua orbita. In questo caso, la coppia di buchi neri nota come GW200129 (osservato il 29 gennaio 2020) la completava più volte al secondo, un effetto 10 miliardi di volte più forte della pulsar binaria. Anche così, confermare che i buchi neri in questo sistema erano in precessione è stata una sfida significativa.
Questi risultati confermano che prima della fusione dei buchi neri – l'evento gravitazionale più estremo mai osservato dagli astronomi – i buchi neri binari possono sperimentare una precessione orbitale. È anche l'ultimo di una lunga serie di esempi che dimostrano come l'astronomia delle onde gravitazionali consenta agli astronomi di sondare le leggi della fisica nelle condizioni più estreme immaginabili. Con una rete composta da rivelatori Advanced LIGO, Virgo e KAGRA negli Stati Uniti, in Europa e in Giappone, è anche uno dei campi più attivi della ricerca astronomica.
Questa rete è attualmente in fase di aggiornamento per migliorare la sua sensibilità agli eventi e inizierà il suo quarto ciclo di osservazioni (O4) nel 2023. Quando ciò accadrà, si spera che diverse centinaia di collisioni di buchi neri vengano rilevate e aggiunte al catalogo. Ciò consentirà agli astronomi di ottenere maggiori informazioni sul fenomeno gravitazionale più estremo nell'Universo e di far loro sapere se GW200129 era un valore anomalo o se tali eventi estremi sono un evento comune.