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GW150914 ha davvero creato un buco nero?

Dal blog del Dott. Paolo Pani - "The Gravity Room", per gentile concessione

Un direttore di orchestra può facilmente distinguere il suono di un gong da quello di una campana semplicemente dal differente rumore. Un astronomo può riconoscere un buco nero da un altro oggetto compatto, scuro, semplicemente attraverso il segnale ricevuto tramite onde gravitazionali? Nell'ultimo lavoro di Paolo Pani, Vitor Cardoso e Edgardo Franzin sembrerebbe di no. 

Lo scorso febbraio, la Collaborazione LIGO/Virgo ha annunciato la prima prova diretta di onde gravitazionali da parte dei due interferometri laser aLIGO. La storica scoperta è stata interpretata anche come la prima vera prova dell'esistenza dei buchi neri, gli oggetti più estremi dell'universo. Il segnale - chiamato GW150914 - corrisponde all'ultimo atto di due buchi neri massivi in reciproca orbita, sempre più stretta, fino - eventualmente - alla collisione in un terremoto dello spazio-tempo. I dati di LIGO mostrano molto fermamente che si tratta di due oggetti estremamente compatti e troppo massivi per essere stelle di neutroni. Pur fornendo prove convincenti all'esistenza dei buchi neri, la scoperta non ne rappresenta una prova sicura al 100%. Dopo tutto, la firma di oggetti compatti, massivi e scuri proviene abitualmente da osservazioni elettromagnetiche con rilevatori a infrarossi e raggi X. 

Ciò che rende GW150914 realmente unico è il fatto che il segnale di onda gravitazionale contiene tutti gli stadi finali dell'evoluzione cosmica del sistema binario: i due oggetti hanno perso una enorme quantità di energia attraverso l'esmissione di onde gravitazionali, avvicinandosi reciprocamente e, eventualmente, fondendosi a formare un unico oggetto compatto di circa 62 masse solari. Dopo la fusione (durata soltanto pochi millisecondi) l'oggetto finale è stato fortemente distorto e ha subito una fase di aggiustamenti noti come "ringdown", fase durante la quale l'oggetto vibra più o meno come un tamburo percosso. Proprio come le onde del tamburo dipendono dalle proprietà dello strumento (forma, dimensione, materiale), i "modi di ringdown" dovrebbero trasportare le informazioni sulla natura dell'oggetto finale prodotto dalla fusione. 

Confronto tra il segnale Ringdown di una particella che cade in un buco nero e una che cade in un tunnel

Un confronto tra il segnale ringdown di una particella che cade in un buco nero (tratteggiato) e la stessa particella che cade in un wormhole (red line). La geometria del wormhole è illustrata nell'angolo in alto a destra. 

 

I buchi neri sono frammenti nel tessuto dello spazio-tempo e il loro limite visibile - noto come orizzonte degli eventi - vibra in una maniera molto particolare, predetta dopo decenni di lavoro senza sosta tramite le equazioni della Relatività Generale di Einstein. Gli scienziati sperano che, rilevando eventi come GW150914, si possa essere in grado di identificare i modi di vibrazione tipici del buco nero finale ("quasinormal mode") dal segnale ringdown. Questa si che sarebbe la prova inconfutabile che la fusione di due oggetti compatti in sistema binario possa portare alla formazione di un buco nero, come predetto dalla Teoria di Einstein. 

Nel recente lavoro, il team dimostra che questo paradigma non è, tuttavia, corretto. Le vibrazioni di oggetti molto compatti ma privi di un orizzonte degli eventi (come wormhole) sono molto differenti da quelli di buchi neri (la frequenza è inferiore e durano molto più tempo). ma il segnale ringdown prodotto da questi "mimichers black-hole" è identico a quello di un buco nero nella prima parte (immagine). Soltanto in seguito la presenza dell'orizzonte degli eventi rende inconfondibile il segnale del buco nero. L'interferometro LIGO potrebbe non essere in grado, ancora, di arrivare a captare questa piccolissima differenza.

Per approfondimenti, MEDIA INAF

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Rappresentazione di wormhole

Rappresentazione di wormhole

Fusione di buchi neri, gravastar: ancora non c'è certezza al 100% sulla natura dei corpi che hanno dato vita alle onde gravitazionali captate (anche se tutto rema a favore dei buchi neri) e così c'è spazio anche per speculazioni. Perchè non prendere in considerazione un wormhole?
Per ovviare al conflitto teorico tra orizzonte degli eventi, che fa perdere informazioni, e meccanica quantistica, che si rifiuta di perderle, basta sostituire un buco nero con un oggetto compatto esotico (ECO, exotic compact object) come un wormhole, privo di orizzonte degli eventi ma non per questo più credibile.
La presenza di un orizzonte degli eventi sarebbe osservabile nella fase di ring-down dell'onda captata e questa ultima fase verrebbe estinta completamente dopo un breve periodo di tempo proprio per la presenza dell'orizzonte. Se questo non esistesse, le oscillazioni non andrebbero a sparire totalmente ma produrrebbero una sorta di eco. In entrambi i casi (buco nero o ECO) il ringdown sarebbe simile e occorrerebbe andare a verificare la presenza dell'eco per poter distinguere gli oggetti. E' stato modellizzato il segnale che potrebbe derivare da due wormholes rotanti, con la rotazione a cambiare le onde gravitazionali prodotte. Il grafico risultante non sarebbe poi così diverso da quello captato, ma l'eco non è stato osservato anche perché nessun modello lo aveva previsto. Se l'eco venisse osservato avremmo la prova che i buchi neri non esistono.

Eco da fusione di ECOs

Eco da fusione di ECOs

La possibilità di riscontrare una eco nel ringdown del segnale di una onda gravitazionale è un argomento che tiene sempre più banco a valle delle detection operate da LIGO e VIRGO, eco che determinerebbe l'origine in oggetti esotici compatti (ECO) privi di un orizzonte degli eventi e quindi non riconducibili ai buchi neri. Un team di astrofisici de La Sapienza di Roma, tra i quali il nostro amico Paolo Pani, ha presentato a Giugno 2018 un ulteriore nuovo lavoro, un template analitico in grado di descrivere il ringdown e il segnale dell'eco per oggetti non rotanti con riferimento, per la prima volta, a due parametri fisici come coefficiente di riflessione R e redshift alla superficie dell'oggetto. Dato un rapporto segnale-rumore fisso nella fase post-fusione degli oggetti, i vincoli sui parametri dipendono così soltanto marginalmente dai dettagli della curva di sensibilità del sensore che effettua la detection ma in maniera molto forte dal coefficiente di riflessione. Potrebbe essere possibile rintracciare o negare correzioni Planckiane alla scala dell'orizzonte per oggetti ultracompatti perfettamente riflettenti (R = 100) con un grado di affidabilità pari a Sigma 5 anche tramite i dati di aLIGO/Virgo. In futuro, nel caso di rapporto segnale/rumore pari a 100 (e quindi in presenza di miglioramento tecnologico con l'Einstein Telescope o LISA) e in presenza di una coefficiente di riflessione compreso tra 30 e 85%, si potrà raggiungere una confidenzialità nell'ordine di 2 o 3 Sigma. Lo studio rappresenta il primo step nello sviluppo di un template accurato da utilizzare per la ricerca delle eco nei segnali delle onde gravitazionali, forme di onda che consentiranno di filtrare il segnale alla ricerca di un match con i modelli proposti, dipendenti dai parametri. In alcuni casi, addirittura, l'eco potrebbe essere trovata anche laddove il ringdown non sia rintracciabile.
E' allo studio anche una modellizzazione delle eco per oggetti ultracompatti rotanti, che rappresentano la parte più interessante sia per il fatto di essere i più comuni sia perché presentano svariate forme di instabilità.


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