Gli scienziati rilevano la fusione di buchi neri più massiccia fino ad oggi, 225 volte la massa del Sole: "Ai limiti di ciò che è attualmente possibile".

La collaborazione internazionale LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) ha rilevato la fusione dei buchi neri più massicci mai osservati con onde gravitazionali utilizzando gli osservatori LIGO, finanziati dalla National Science Foundation (NSF) statunitense. La potente fusione ha prodotto un buco nero finale con una massa circa 225 volte quella del nostro Sole. Il segnale, denominato GW231123, è stato rilevato durante il quarto ciclo di osservazione della rete LVK, il 23 novembre 2023.

LIGO, l'Osservatorio Laser Interferometer Gravitational-Wave, ha fatto la storia nel 2015 rilevando direttamente per la prima volta le onde gravitazionali, increspature dello spazio-tempo. In quel caso, le onde provenivano dalla fusione di due buchi neri, che ha dato origine a un buco nero finale con una massa pari a 62 volte quella del nostro Sole. Il segnale è stato rilevato congiuntamente dai due rivelatori di LIGO, uno situato a Livingston, in Louisiana, e l'altro a Hanford, nello stato di Washington.

Da allora, il team LIGO si è unito ai partner del rivelatore Virgo in Italia e di KAGRA (Kamioka Gravitational-Wave Detector) in Giappone per formare la Collaborazione KLV. Questi rivelatori hanno osservato complessivamente più di 200 fusioni di buchi neri nel loro quarto ciclo di analisi, e circa 300 in totale dall'inizio del primo ciclo nel 2015.

Finora, la fusione di buchi neri più massiccia (prodotta da un evento avvenuto nel 2021, denominato GW190521) aveva una massa totale pari a 140 volte quella del Sole. Nell'evento più recente, GW231123, il buco nero da 225 masse solari è stato creato dalla coalescenza di buchi neri, ciascuno con una massa compresa tra circa 100 e 140 volte quella del Sole.

Oltre alle loro masse elevate, i buchi neri ruotano anche rapidamente. "Questo è il sistema binario di buchi neri più massiccio che abbiamo osservato utilizzando le onde gravitazionali e rappresenta una vera sfida per la nostra comprensione della formazione dei buchi neri", osserva Mark Hannam dell'Università di Cardiff e membro della Collaborazione LVK. "I buchi neri di questa massa sono proibiti nei modelli standard di evoluzione stellare. Una possibilità è che i due buchi neri in questo sistema binario si siano formati attraverso precedenti fusioni di buchi neri più piccoli."

Dave Reitze, direttore esecutivo di LIGO al Caltech, spiega: "Questa osservazione dimostra ancora una volta come le onde gravitazionali rivelino in modo unico la natura fondamentale ed esotica dei buchi neri in tutto l'universo".

L'elevata massa e la rotazione estremamente rapida dei buchi neri in GW231123 mettono alla prova i limiti sia delle tecnologie di rilevamento delle onde gravitazionali sia degli attuali modelli teorici. L'estrazione di informazioni accurate dal segnale richiedeva l'uso di modelli che tenessero conto della complessa dinamica dei buchi neri in rapida rotazione.

"I buchi neri sembrano ruotare molto velocemente, quasi al limite consentito dalla teoria della relatività generale di Einstein ", spiega Charlie Hoy dell'Università di Portsmouth (Regno Unito) e membro del LVK. "Questo rende difficile la modellazione e l'interpretazione del segnale. È un caso di studio eccellente per approfondire lo sviluppo dei nostri strumenti teorici."

I ricercatori continuano ad affinare le loro analisi e a migliorare i modelli utilizzati per interpretare questi eventi estremi. "Ci vorranno anni prima che la comunità scientifica riesca a svelare completamente questo intricato schema di segnali e tutte le sue implicazioni", conferma Gregorio Carullo dell'Università di Birmingham (Regno Unito) e membro dell'LVK. "Sebbene la spiegazione più probabile rimanga la fusione di buchi neri, scenari più complessi potrebbero contenere la chiave per decifrare le loro caratteristiche inaspettate".

I rivelatori di onde gravitazionali come LIGO, Virgo e KAGRA sono progettati per misurare minuscole distorsioni dello spazio-tempo causate da violenti eventi cosmici. Il quarto ciclo di osservazioni è iniziato a maggio 2023 e ulteriori osservazioni della prima metà del ciclo (fino a gennaio 2024) saranno pubblicate entro la fine dell'estate.

"Questo evento spinge le nostre capacità di strumentazione e analisi dei dati ai limiti di ciò che è attualmente possibile ", afferma Sophie Bini, ricercatrice post-dottorato al Caltech e membro del LVK. "È un esempio lampante di quanto possiamo imparare dall'astronomia delle onde gravitazionali e di quanto ancora ci sia da scoprire".