Fusione di buchi neri di seconda generazione
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Buchi neri derivanti da fusione lentamente rotanti e posti in ambienti estremamente densi potrebbero trovare di nuovo compagna e fondersi di nuovo. Ma non basta un ammasso globulare.


Fonte Post-Newtonian Dynamics in Dense Star Clusters: Highly Eccentric, Highly Spinning, and Repeated Binary Black Hole Mergers - Physical Review Letters (Carl L. Rodriguez et al.)


Rappresentazione artistica delle fusione di buchi neri. Crediti NASA
Rappresentazione artistica delle fusione
di buchi neri. Crediti NASA

Il 2019 ha visto la pubblicazione su Physical Review Letter ("Escape speed of stellar clusters from multiple-generation black-hole mergers in the upper mass gap”, di Davide Gerosa e Emanuele Berti) si un articolo riguardante buchi neri di seconda generazione. Si tratta di una notizia che prende le mosse da un altro articolo, datato 2018, quindi ci sembra opportuno raggruppare il tutto in una unica pagina.

Quante volte i buchi neri possono trovare partner e fondersi tra di loro? Secondo lo studio del 2018 questo fenomeno può verificarsi tante volte, producendo buchi neri più massicci di quelli derivanti dal collasso di singole stelle. Questa "seconda generazione" di fusioni dovrebbe avvenire regolarmente negli ammassi globulari, vista la loro maggiore densità. Se LIGO, l'interferometro che ha scovato le prime onde gravitazionali, derivasse la presenza di un buco nero con più di 50 masse solari, allora probabilmente si tratterebbe di un buco nero di seconda generazione, non derivante da una singola morte stellare. Perché 50 masse solari? Perché oltre questa massa l'esplosione di supernova diventa instabile e un buco nero superiore a questo limite, da collasso diretto, non si può formare. 

Per giungere alla conclusione, nel 2018, è stato utilizzato un supercomputer chiamato Quest alla Northwestern University, in grado di simulare interazioni in 24 ammassi stellari contenenti da 200 mila a 2 milioni di stelle in un range di densità molto ampio. Le simulazioni hanno portato a morti stellari, formazione di buchi neri e loro fusione, ma anche al tragitto di questi buchi neri fusi che - data la massa - scivolano al centro degli ammassi globulari e al loro nuovo "accoppiamento". Se finora non era stata presa in esame questa possibilità è perché i calcoli si sono sempre basati sulle leggi di Newton, che non tengono conto delle onde gravitazionali e si basano su ambienti più ampi, come una galassia . La Relatività tiene conto di tutto e in un ambiente come quello dei globulari due buchi neri che passano vicini si attraggono per emissione di onde gravitazionali, le quali sottraggono energia agli oggetti fino a legarli tra di loro. Fino a fonderli di nuovo. In caso di buchi neri rotanti durante la fusione, il buco nero che risulta riceve una spinta verso una direzione preferita e viene scalciato ino a 5.000 chilometri al secondo. Questo dovrebbe indurre il buco nero a uscire dall'ammasso, sotto l'assunzione che i buchi neri siano largamente rotanti sebbene questa assunzione sembra contraddire le osservazioni di LIGO, visto che i buchi neri osservati sembrano avere una rotazione molto lenta. In questa condizione, il 20% degli scenari ricreati ha portato a una coppia di seconda generazione con masse tra 50 e 130 masse solari.   

Cosa aggiunge l'articolo del 2019? L'indicazione che, per potersi fondere, i due buchi neri devono rimanere vicini, il che sembra abbastanza intuitivo visto che in caso contrario ci sarebbe poco da fondersi. Le fusioni impartiscono una sorta di rinculo a causa dell'energia rilasciata sotto forma di onda gravitazionale e questo rinculo è in genere superiore a 50 chilometri al secondo. Ne segue che un ambiente adatto nel quale andare a cercare fusioni di buchi neri è caratterizzato da una densità tale da sopportare una velocità di fuga simile. Gli ammassi globulari hanno in media una velocità di fuga nell'ordine dei 10 chilometri al secondo, il che vuol dire che il sistema stellare deve essere molto più denso, come gli ammassi presenti nei dintorni dei buchi neri supermassivi.