I buchi neri binari potrebbero scatenare altre previsioni di Einstein

Nel grande schema delle cose, la struttura di un buco nero è molto semplice. Tutto ciò che devi sapere è la sua massa, carica elettrica e rotazione, e saprai come dovrebbe essere la struttura spazio-temporale attorno a un buco nero. Ma se hai due buchi neri in orbita l’uno intorno all’altro, le cose si complicano davvero. A differenza di un singolo buco nero, per il quale esiste una soluzione esatta alle equazioni di Einstein, non esiste una soluzione esatta per due buchi neri. È simile a Problema a tre corpi nella gravità newtoniana. Ma ciò non significa che gli astronomi non possano rilevare le cose, come hanno dimostrato due studi recenti.

Sebbene le equazioni di Einstein non abbiano una soluzione esatta per un sistema binario di buchi neri, ci sono aspetti dei buchi neri binari che le equazioni prevedono. Uno di questi tipi è noto come risonanza di spin. Quando un buco nero ruota, la struttura dello spazio lo avvolge nella direzione di rotazione, nota come tirare il telaio. Quando due buchi neri orbitano uno vicino all’altro, l’attrazione del frame di ciascun buco nero influisce sulla rotazione dell’altro. Di conseguenza, i due buchi neri tenderanno a risuonare, poiché gli spin sono allineati nello stesso modo (parallelo) o opposto (antiparallelo). Se la risonanza spin-orbita è reale, le coppie binarie devono avere una di queste direzioni.

Uno studio recente suggerisce che questo è vero. In esso, il team ha esaminato i dati delle onde gravitazionali provenienti da fusioni note di buchi neri e ha scoperto che la loro rotazione tende ad essere parallela o antiparallela. Data la piccola dimensione del campione e il fatto che i cicli binari di un buco nero non sono mai perfettamente allineati, non ci sono dati sufficienti per confermare l’effetto, ma i dati hanno punti in quella direzione.

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Una simulazione che mostra come la rotazione di un buco nero potrebbe influenzare un oggetto in orbita. Credito: Simon Terran, tramite Wikipedia

Una delle sfide con la misurazione della rotazione di un buco nero è che il segnale è piuttosto debole. Le onde gravitazionali che misuriamo dalle fusioni di buchi neri distanti sono così deboli che è facile perdersi nel rumore. Osservatori come LIGO e Virgo devono effettuare misurazioni molto sensibili e i loro dati devono essere filtrati attraverso modelli informatici. È la combinazione di elaborazione dati e simulazione al computer che rende le integrazioni rilevabili. L’aggiunta di rotazione al mix rende le cose più difficili.

Ma in un secondo documento, il team ha esaminato come ottenere risultati migliori. Hanno scoperto che il segnale di rotazione è più forte quando stanno per fondersi. Questo ha senso perché è quando sono più vicini e quando la trazione del pneumatico è più forte. Ma attualmente, le informazioni sulla rotazione dei buchi neri binari si trovano osservando le onde gravitazionali mentre sono ancora in orbita l’una con l’altra. Il team ha mostrato come i modelli potrebbero invece analizzare il segnale di quasi fusione e ottenere risultati molto migliori. Applicando questo nuovo metodo alle fusioni di buchi neri, dovrebbero essere in grado di confermare gli echi dell’orbita di spin nel prossimo futuro.

L’astronomia delle onde gravitazionali è ancora un campo nuovo e stiamo ancora imparando come acquisire e analizzare i dati. Come mostrano questi nuovi studi, le onde gravitazionali contengono una grande quantità di informazioni e, con solo un po’ di scavo, possiamo scoprire molto.

Riferimento: Varma, Vijay, et al. “Cenni sugli echi di spin in un cluster di buchi neri binari. ” Lettere di revisione fisica 128.3 (2022): 031101.

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Riferimento: Varma, Vijay, et al. “Misurare i sensi di rotazione del piano orbitale di un buco nero binario. ” revisione fisica d 105.2 (2022): 024045.

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