Onde gravitazionali da buchi neri in galassie nane

Questo post è una spiegazione per il pubblico dell’articolo: https://arxiv.org/pdf/2009.10688.pdf

Durante gli ultimi 5 anni, i rivelatori di onde gravitazionali LIGO (negli USA) e Virgo (in Italia) hanno osservato decine di collisioni tra buchi neri in sistemi binari. L’origine della maggior parte di questi buchi neri rimane tuttora un mistero: dalle teorie di evoluzione stellare di sistemi binari risulta complicato spiegare la formazione di buchi neri con la massa e la rotazione come quelle osservate da LIGO/Virgo. Le cose diventano ancora più complicate per il più recente degli eventi annunciati da LIGO/Virgo, chiamato GW190521 (il nome deriva dalla data in cui è stato osservato), dato dalla collisione dei due buchi neri più massicci mai osservati tramite onde gravitazionali. La massa dei due buchi neri è stimata intorno alle 66 e 85 volte la massa del sole: significa che questi buchi neri sono molto probabilmente nella cosiddetta “mass gap”, un intervallo di massa in cui non ci si aspetta si formino buchi neri. Questo perché le stelle che potrebbero diventare buchi neri di questa massa alla fine della loro evoluzione, vengono sostanzialmente “spazzate via” prima di collassare in buchi neri da meccanismi chiamati “pulsational pair-instability” e “pair-instability Supernova”. Eppure, buchi neri più massicci sono stati osservati al centro delle galassie, per esempio al centro della nostra galassia e di Messier 87 (la famosa prima foto di un buco nero del 2019). Questi sono detti buchi neri supermassicci, con masse anche miliardi di volte quella del Sole. La massa di questi buchi neri supermassicci sembra correlare con la massa stellare globale della galassia in cui vivono: buchi neri centrali più massicci si trovano in galassie più massicce. Questo suggerisce che in qualche modo l’evoluzione della galassia e del buco nero centrale siano correlate, e/o che il buco nero sia in qualche modo legato alla formazione della galassia stessa. I buchi neri centrali potrebbero formarsi tramite diversi canali, non necessariamente tramite evoluzione stellare, e quindi possono teoricamente avere massa nel “mass gap”. Studi recenti hanno mostrato la presenza di questi buchi neri anche al centro di galassie nane, molto meno massicce della Via Lattea, e dunque anche con buchi neri centrali meno massicci. Estrapolando questa relazione, possiamo immaginare che buchi neri con massa simile a quelli di GW190521 possano vivere al centro di galassie nane molto poco massive: galassie di questo tipo esistono e sono state osservate vicino alla Via Lattea, ma siccome sono poco brillanti è difficile osservarne più lontano, ed è anche difficile osservare con i telescopi buchi neri centrali che non siano supermassicci. Eppure i rivelatori di onde gravitazionali esistenti ad oggi possono rilevare le onde gravitazionali provenienti da questi buchi neri centrali quando collidono con altri buchi neri o stelle di neutroni.

Perché due buchi neri centrali di galassie nane dovrebbero collidere se sono al centro di galassie diverse? Nell’evoluzione di galassie ci aspettiamo una formazione “gerarchica”, nel senso che prima ci aspettiamo si formino i sistemi autogravitanti più piccoli e poi quelli più grandi (quindi stelle, poi galassie, poi ammassi di galassie). In questo scenario le galassie si formano e a volte collidono tra di loro, formando un’unica galassia più grande. Quando le galassie collidono, dopo un certo tempo si formerà una nuova galassia avente una nuova zona centrale dove la densità stellare e la gravità dovuta alla buca di potenziale dell’alone di materia oscura sono più alte rispetto alle zone esterne. Ci si aspetta quindi che i due buchi neri centrali massicci iniziali vengano “trascinati” verso il centro, formando un sistema binario che potrebbe infine collidere formando un unico buco nero piu massiccio. Candidati sistemi binari supermassicci sono stati osservati con vari telescopi, e saranno osservati tramite onde gravitazionali dalla missione spaziale ESA/NASA LISA dopo il 2032. Eppure nessuno si aspettava di osservare i buchi neri centrali di galassie nane con massa fino ad un milione di volte quella del sole, ed è questa la possibilità presentata in questo studio. Questo articolo dimostra che le galassie nane collidono abbastanza frequentemente da spiegare le osservazioni di LIGO/Virgo, e questo si può capire in quanto le galassie nane sono le galassie più numerose nell’Universo, anche se la collisione di galassie non è un fenomeno particolarmente frequenti. Lo studio mostra anche che una volta avvenuta la collisione di galassie nane, i buchi neri sono “trascinati” verso il centro della galassia in modo efficiente da incontrarsi, in modo simile a come è stato dimostrato nelle galassie più grandi. 

Se questo scenario per l’origine si dimostrasse vero, potrebbe aprire nuovi orizzonti per lo studio non solo della formazione dei buchi neri supermassicci, visto che i buchi neri centrali di galassie nane potrebbero essere equivalenti ai precursori dei buchi neri piu’ massivi, ma anche sulla nostra comprensione della formazione di galassie e degli aloni di materia oscura.