I buchi neri più grandi dell’Universo potrebbero essersi formati attraverso ripetute collisioni all’interno di ammassi stellari

La nuova ricerca, condotta dall’Università di Cardiff, ha esaminato la versione 4.0 del Catalogo dei Transienti di Onde Gravitazionali (GWTC4) di LIGO-Virgo-KAGRA, che contiene 153 rilevamenti affidabili di fusioni di buchi neri.

I ricercatori si sono concentrati sulla possibilità che i buchi neri più grandi del catalogo potessero essere oggetti di “seconda generazione”. In questo scenario, i buchi neri formatisi dalla morte di stelle si scontrano tra loro, per poi fondersi nuovamente in ambienti stellari densi, dove le stelle sono stipate fino a un milione di volte più fittamente che attorno al nostro Sole.

I risultati, pubblicati su Nature Astronomy , suggeriscono che i buchi neri più massicci rilevati tramite onde gravitazionali appartengono a una classe a sé stante, con una storia molto diversa da quella dei buchi neri più piccoli.

Le onde gravitazionali rivelano due popolazioni di buchi neri

“L’astronomia delle onde gravitazionali ora fa molto di più che contare le fusioni di buchi neri”, spiega l’autore principale, il dottor Fabio Antonini della Scuola di Fisica e Astronomia dell’Università di Cardiff.

“Sta iniziando a rivelare come crescono i buchi neri, dove crescono e cosa questo ci dice sulla vita e sulla morte delle stelle massicce. Questo è entusiasmante perché possiamo usare queste informazioni per mettere alla prova la nostra comprensione di come le stelle e gli ammassi si evolvono nell’Universo.”

Analizzando i segnali delle onde gravitazionali, il team ha identificato due gruppi distinti:

• una popolazione di massa inferiore compatibile con un normale collasso stellare
• una popolazione di massa maggiore i cui spin appaiono esattamente come quelli previsti dalle fusioni gerarchiche in ammassi stellari densi

Secondo i ricercatori, il comportamento di rotazione dei buchi neri più massicci si è rivelato particolarmente utile.

“Ciò che ci ha sorpreso di più è stata la chiarezza con cui i buchi neri di grande massa si distinguono come una popolazione separata”, ricorda la coautrice, la dottoressa Isobel Romero-Shaw, Ernest Rutherford Fellow presso l’Università di Cardiff.

“A differenza dei sistemi di massa inferiore che abbiamo analizzato, che in genere ruotavano lentamente, i sistemi di massa superiore sono coerenti con rotazioni più rapide, orientate in direzioni apparentemente casuali. Questa è esattamente la caratteristica che ci si aspetterebbe se i buchi neri si fondessero ripetutamente in densi ammassi stellari.”

“Questo rende l’origine dell’ammasso molto più convincente rispetto a quanto non lo fosse con i cataloghi precedenti.”

Prove dell’esistenza di un “gap di massa” nei buchi neri

Lo studio rafforza inoltre le prove a sostegno di una misteriosa “lacuna di massa” prevista dagli astrofisici da decenni. Secondo questa teoria, le stelle di dimensioni superiori a una certa soglia dovrebbero esplodere con tale violenza da essere completamente distrutte, anziché collassare in buchi neri.

Ciò creerebbe una regione proibita in cui i buchi neri formatisi direttamente dalle stelle non dovrebbero esistere.

I ricercatori hanno identificato questa transizione nei buchi neri con masse circa 45 volte superiori a quella del Sole.

Il dottor Antonini ha affermato: “Nel nostro studio troviamo prove del gap di massa dell’instabilità di coppia previsto da tempo: un intervallo di masse in cui non ci si aspetta che le stelle lascino dietro di sé buchi neri. I rivelatori di onde gravitazionali hanno individuato con successo buchi neri che sembrano trovarsi all’interno o in prossimità di questo gap, che noi identifichiamo intorno alle 45 masse solari.”

“Quindi, la domanda chiave ora è: questi buchi neri ci stanno dicendo che i nostri modelli di evoluzione stellare sono sbagliati, oppure si stanno formando in un altro modo?”

“I buchi neri più grandi nel campione attuale sembrano fornirci informazioni sulla dinamica degli ammassi stellari, non solo sull’evoluzione stellare.”

“Al di sopra di circa 45 masse solari, la distribuzione dello spin cambia in un modo difficile da spiegare solo con le normali binarie stellari, ma che trova una spiegazione naturale se questi buchi neri hanno già subito precedenti fusioni in ammassi densi.”

I buchi neri potrebbero aiutare gli scienziati a studiare la fisica nucleare

I ricercatori affermano che queste scoperte potrebbero in futuro aiutare gli scienziati a studiare i processi che avvengono nelle profondità delle stelle massicce.

Il team ha sfruttato la transizione in prossimità del gap di massa per studiare un’importante reazione nucleare legata alla combustione dell’elio nei nuclei stellari.

“In futuro, i dati sulle onde gravitazionali potrebbero aiutare gli scienziati a studiare la fisica nucleare, perché il limite di massa imposto dall’instabilità di coppia dipende dalle reazioni nucleari che avvengono nei nuclei delle stelle massicce”.

Le osservazioni delle onde gravitazionali dei buchi neri binari hanno aperto una nuova finestra sull’evoluzione delle stelle massicce, ma le inferenze sulla popolazione rimangono ostacolate dalle incertezze nella fisica binaria e nelle condizioni iniziali (vedere, ad esempio, i riferimenti). Una questione centrale è se le supernove a instabilità di coppia (pulsazionali) (PISN) creino un vuoto nella distribuzione della massa di nascita dei buchi neri (vedere, ad esempio, i riferimenti). La teoria prevede pulsazioni per i nuclei di He di ~40–65 M _⊙ e una completa disgregazione al di sopra di ~65 M _⊙ , sopprimendo la formazione di buchi neri nell’intervallo ~ M _⊙ 40–130. Le osservazioni delle onde gravitazionali non hanno finora rivelato un netto deficit di buchi neri in questo intervallo di massa (il cosiddetto gap di massa PISN), motivando scenari che riempiono il divario (vedere, ad esempio, i riferimenti), o sollevando la possibilità che il divario non esista affatto