Ripetute Fusioni di Buchi Neri negli Ammassi Globulari

Ripetute Fusioni di Buchi Neri negli Ammassi Globulari

 

Secondo un team internazionale di astronomi guidato da Carl Rodriguez del MIT i buchi neri stellari possono fondersi più volte, producendo buchi neri più massicci di quelli derivanti dal collasso di singole stelle. I violenti incontri avverrebbero nell’ambiente denso di stelle degli ammassi globulari.

I buchi neri binari si formano quando due buchi neri iniziano ad orbitare uno attorno all’altro. Alla fine i buchi neri si fondono nel corso di una spettacolare collisione che rilascia un’enorme quantità di energia sotto forma di onde gravitazionali. Ora un team internazionale di astronomi guidato da Carl Rodriguez del MIT suggerisce che i buchi neri possano accoppiarsi e fondersi molteplici volte, producendo buchi neri più massicci di quelli derivanti dal collasso di singole stelle. Queste fusioni “di seconda generazione” potrebbero avvenire negli ammassi globulari, insiemi sferoidali di stelle che orbitano attorno al centro di una galassia.

“Pensiamo che questi ammassi si siano formati con migliaia di buchi neri che sono rapidamente migrati nel centro”, afferma Carl Rodriguez del MIT e del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. “Questo tipo di ammassi sono essenzialmente fattorie di buchi neri binari, in quanto sono presenti così tanti buchi neri insieme in una piccola regione di spazio che due buchi neri possono fondersi e produrre un buco nero più massiccio. Il nuovo buco nero può in seguito trovare un altro compagno e fondersi di nuovo”. Secondo i ricercatori se LIGO rileverà un sistema binario con uno dei buchi neri di massa superiore a 50 masse solari, è altamente probabile che un simile oggetto non derivi dal collasso di una singola stella, ma da fusioni ripetute all’interno di un denso ammasso globulare.

Gli ammassi globulari si trovano in gran parte delle galassie e il loro numero varia a seconda della dimensione della galassia. Le enormi galassie ellittiche, ad esempio, ospitano decine di migliaia di questi raggruppamenti stellari, mentre nella nostra galassia ne sono stati individuati meno di 200.

Il team ha utilizzato un supercomputer disponibile alla Northwestern University per simulare le interazioni complesse e dinamiche all’interno di 24 ammassi stellari, di varia densità e composizione, e formati da 200.000 a 2 milioni di stelle. Le simulazioni modellano l’evoluzione delle singole stelle negli ammassi per un periodo di 12 miliardi di anni, individuando le loro interazioni con altre stelle e la formazione ed evoluzione dei buchi neri. Sono state modellate anche le traiettorie dei buchi neri nati negli ammassi. “La cosa fantastica è che, poichè i buchi neri sono gli oggetti più massicci in questi ammassi, sprofondano al centro, dove si trova una densità di buchi neri sufficientemente elevata da formare sistemi binari”, ha spiegato Rodriguez.

Nella loro simulazione i ricercatori hanno aggiunto un ingrediente chiave che non era stato preso in considerazione in altri studi precedenti volti a modellare l’evoluzione di ammassi globulari: gli effetti relativistici previsti da Einstein nella Teoria della Relatività Generale. Nel corso della simulazione gli autori hanno osservato buchi neri che si fondevano tra loro per creare nuovi buchi neri. Senza prendere in considerazione gli effetti relativistici, la gravità newtoniana prevede che gran parte dei buchi neri binari vengano espulsi dall’ammasso da altri buchi neri prima di fondersi. Ma tenendo conto degli effetti della Relatività, il team ha scoperto che quasi la metà dei buchi neri binari si fondono all’interno dell’ammasso, creando una nuova generazione di buchi neri più massicci rispetto a quelli derivanti dal collasso di una singola stella. Il destino successivo di questi nuovi buchi neri è una questione di spin.

“Se i due buchi neri stanno ruotando quando si fondono, il buco nero derivante dalla fusione emetterà onde gravitazionali in una direzione preferenziale, creando un nuovo buco nero che potrebbe essere sparato fuori alla velocità di 5000 chilometri al secondo, incredibilmente veloce”, ha detto Rodriguez. “Ci vuole solo una spinta da poche decine a centinaia di chilometri al secondo per sfuggire da uno di questi ammassi”. A causa di questo effetto, gli scienziati pensavano che l’oggetto derivante da una fusione di buchi neri venisse cacciato fuori dall’ammasso, dal momento che si ipotizzava che gran parte dei buchi neri stellari ruotassero rapidamente.

Questa ipotesi, tuttavia, sembra essere in contraddizione con le misurazioni di LIGO, che finora hanno rilevato buchi neri binari con basso spin. Per testare le varie implicazioni il team ha diminuito il valore dello spin dei buchi neri nelle simulazioni e ha scoperto che, in base a questo scenario, quasi il 20 percento dei buchi neri binari negli ammassi avevano almeno un buco nero nato nel corso di una fusione precedente. Dal momento che si è formato da altri buchi neri, ogni buco nero di questa seconda generazione potrebbe avere massa da 50 a 130 masse solari, una quantità non spiegabile dal collasso di una singola stella. Secondo Rodriguez se i rilevatori di onde gravitazionali come LIGO individueranno un oggetto con massa all’interno di questo intervallo, ci sono buone probabilità che il buco nero non derivi da una stella esplosa, ma da fusioni progressive avvenute all’interno di un denso ammasso globulare. Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
[ Barbara Bubbi ]

Nell’immagine simulazione di un buco nero binario nato all’interno di un ammasso globulare
Credit: Northwestern Visualization/Carl Rodriguez

https://phys.org/news/2018-04-dense-stellar-clusters-foster-black.html