Revising the Spin and Kick Connection in Isolated Binary Black Holes

I buchi neri sono gli oggetti più estremi dell'universo, nati dal violento collasso di stelle massicce. Per decenni, gli astronomi hanno cercato di comprendere un mistero specifico e ostinato su di essi: da dove proviene il loro spin? Quando una stella collassa, spesso ruota più velocemente, proprio come un pattinatore che ritrae le braccia. La teoria prevalente è stata che i buchi neri ereditino semplicemente questo spin dalla loro stella madre. Poiché le stelle in coppie binarie solitamente ruotano nella stessa direzione in cui orbitano l'una attorno all'altra, questa teoria prevedeva che i buchi neri risultanti dovessero anche ruotare in perfetto allineamento con la loro orbita. Se ciò fosse stato vero, avrebbe fornito agli astronomi un modo affidabile per determinare come si fossero formati i buchi neri. Quelli nati da soli nei campi silenziosi tra le stelle dovrebbero ruotare ordinatamente con i loro partner, mentre quelli accoppiati per caso in densi ammassi stellari dovrebbero ruotare in direzioni casuali.

Tuttavia, recenti osservazioni provenienti dai rilevatori di onde gravitazionali hanno gettato in disordine questo quadro ordinato. Gli scienziati hanno rilevato fusioni di buchi neri in cui gli spin sono inclinati ad angoli selvaggi, o addirittura ruotano all'indietro rispetto all'orbita. Questi spin "disallineati" sono stati tradizionalmente interpretati come la prova che i buchi neri siano stati assemblati dinamicamente in ambienti affollati, piuttosto che nati insieme. Ma un nuovo studio sfida questa ipotesi, suggerendo che la storia dello spin dei buchi neri sia molto più complicata di una semplice eredità. I ricercatori propongono che la violenta nascita di un buco nero possa comportare processi che rimescolano la direzione del suo spin, creando disallineamenti anche per le coppie che si sono formate in isolamento.

Il team, guidato da Vishal Baibhav e Vicky Kalogera, si è posto l'obiettivo di testare questa idea esplorando quattro modi diversi in cui un buco nero potrebbe acquisire il suo spin. Il primo è la visione tradizionale: lo spin è ereditato direttamente dalla stella madre, mantenendosi allineato con l'orbita. Le altre tre sono possibilità più caotiche. In uno scenario, lo spin è generato casualmente da processi turbolenti all'interno della stella morente, puntando in qualsiasi direzione con uguale probabilità. Nel secondo, lo spin si allinea con il "kick" (calcio) che il buco nero riceve quando nasce — uno scatto improvviso causato da un'esplosione irregolare. Nel terzo, lo spin punta perpendicolarmente a quel kick. I ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per modellare come queste diverse direzioni di spin apparirebbero dopo che i buchi neri si sono formati e hanno iniziato a orbitare l'uno attorno all'altro, guardando specificamente a come l'evento violento della nascita, noto come collasso del nucleo, avrebbe inclinato l'orbita stessa.

Le loro simulazioni hanno rivelato che la vecchia assunzione — che le binarie isolate debbano avere spin allineati — non è necessariamente vera. Hanno scoperto che se lo spin di un buco nero è legato alla direzione del suo kick di nascita, o se è generato casualmente, il sistema risultante può esibire grandi disallineamenti o persino spin retrogradi, in cui il buco nero ruota all'indietro rispetto alla sua orbita. Ciò accade perché il calcio che spinge via il buco nero inclina anche l'intera orbita della coppia binaria. A seconda della forza del kick e della direzione dello spin, il risultato finale può apparire esattamente come un sistema che è stato accoppiato per caso in un ammasso affollato, anche se si è formato tranquillamente in isolamento.

Questa scoperta ha implicazioni profonde su come interpretiamo i segnali delle collisioni dei buchi neri. Lo studio suggerisce che la presenza di uno spin inclinato o di uno spin all'indietro non è, di per sé, la prova che un sistema sia stato assemblato dinamicamente. Una coppia binaria che si è formata nel campo tranquillo potrebbe facilmente finire con un orientamento dello spin caotico se la fisica della sua nascita avesse coinvolto questi meccanismi alternativi. I ricercatori hanno testato i loro modelli contro i dati di 257 fusioni di buchi neri rilevate dalla collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA. Hanno scoperto che, mentre alcuni eventi favoriscono fortemente il modello tradizionale allineato, altri sono meglio spiegati da queste teorie alternative di generazione dello spin. In particolare, un evento che coinvolge una possibile stella di neutroni e un buco nero ha mostrato uno spin all'indietro che è molto difficile da spiegare con la vecchia teoria, ma che si adatta naturalmente ai nuovi modelli.

L'articolo non pretende di aver risolto il mistero dello spin dei buchi neri, né dimostra che le binarie isolate siano la fonte di tutti i sistemi disallineati. Inveve, dimostra che l'intervallo di possibilità per il comportamento delle binarie isolate è molto più ampio di quanto precedentemente pensato. Rilassando l'assunzione che lo spin debba essere ereditato, gli autori mostrano che l'impronta digitale dell'origine di una binaria è sfumata. Le firme distinte che gli astronomi speravano separassero le binarie di campo dalle binarie degli ammassi non sono così nette come si credeva. Lo studio conclude che per comprendere veramente da dove provengono questi giganti cosmici, gli scienziati dovranno guardare alla popolazione nel suo insieme, piuttosto che giudicare ogni singolo evento isolatamente, e devono essere pronti alla possibilità che la fisica violenta della nascita di un buco nero possa riscrivere le regole della sua danza con il suo partner.