Crudely Estimated Maximum Mass for a Cosmological Black Hole

Nella vasta e oscura architettura del cosmo, la gravità agisce come l'ultimo scultore, attirando la materia per formare stelle, galassie e gli oggetti più estremi conosciuti: i buchi neri. Questi sono regioni dello spazio così dense che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire alla loro attrazione. Quando due galassie collidono, i loro buchi neri centrali spesso si ritrovano intrappolati in un lento valzer cosmico, orbitando l'uno attorno all'altro. Per decenni, gli astronomi hanno compreso che, mentre queste coppie spiraleggiano verso l'interno, dovrebbero infine scontrarsi, rilasciando un tremendo sussulto di increspature nello spazio-tempo chiamate onde gravitazionali. Tuttavia, un enigma persistente è rimasto sospeso: le simulazioni suggeriscono che per le coppie di buchi neri più massicci, le forze che di solito le spingono insieme — come l'attrito delle stelle o del gas circostanti — potrebbero non essere abbastanza forti da spingerle abbastanza vicine affinché avvenga la fusione finale ed esplosiva. Se ciò fosse vero, deve esserci un limite a quanto possa crescere un buco nero fondendosi con un altro prima che l'universo semplicemente esaurisca il tempo.

Un recente studio del fisico teorico Don N. Page dell'Università dell'Alberta affronta questa questione osservando il lento e costante deriva delle coppie di buchi neri prima che inizino a emettere significative onde gravitazionali. La ricerca si basa su precedenti simulazioni al computer che hanno tracciato come le stelle nei centri delle galassie interagiscono con le coppie di buchi neri in orbita. Queste simulazioni hanno mostrato che la forza di gravità delle stelle vicine causa la perdita di energia dei buchi neri e li fa avvicinare a un ritmo sorprendentemente costante, indipendentemente da quanto siano massicci i buchi neri. Questo processo è lento, richiedendo centinaia di miliardi di anni per portare la coppia abbastanza vicina per l'imminente caduta finale, una scala temporale molto più lunga dei circa 14 miliardi di anni in cui l'universo è esistito finora. Il lavoro di Page pone una domanda semplice ma profonda: se aggiungiamo la spinta extra delle onde gravitazionali a questa lenta deriva stellare, esiste una massa massima per un buco nero che potrebbe formarsi fondendosi entro la durata della nostra vita nell'universo?

Il documento suggerisce che esiste effettivamente un tetto massimo. Combinando la lenta deriva causata dalle stelle con l'ispiralazione più veloce causata dalla radiazione gravitazionale, l'autore calcola che le coppie di buchi neri possono fondersi solo se la loro massa combinata è al di sotto di una certa soglia. Se la coppia è troppo pesante, l'universo semplicemente non ha abbastanza tempo per unirle. I calcoli indicano che la massa massima per un buco nero formato attraverso questa sequenza di fusioni è di circa 140 trilioni di volte la massa del nostro Sole. Questa cifra è derivata assumendo lo scenario più efficiente possibile: una serie di fusioni tra buchi neri di dimensioni uguali, che avvengono continuamente sin dall'inizio dei tempi. Anche in queste condizioni ideali, qualsiasi buco nero più pesante di questo limite sarebbe ancora troppo lontano per essersi coalizzato entro oggi.

Questo ritrovamento ha una conseguenza diretta su come ascoltiamo l'universo. Gli astronomi usano dei rilevatori per dare la caccia alle onde gravitazionali emesse da questi giganti in fusione. Lo studio prevede che il segnale di questi eventi non dovrebbe diventare più forte man mano che la frequenza delle onde diminuisce, una volta che le onde corrispondono a periodi più lunghi di circa 100.000 anni. In altre parole, esiste un punto di interruzione. Al di sotto di una certa tonalità, le onde gravitazionali dei buchi neri supermassicci dovrebbero smettere di aumentare di intensità perché le coppie più pesanti semplicemente non hanno avuto il tempo di fondersi. Ciò fornisce una previsione chiara e testabile per le osservazioni future: se cercheremo segnali con periodi molto lunghi, non troveremo l'atteso aumento di intensità dai buchi neri più massicci, confermando che esiste un limite di velocità cosmico per la loro crescita.

L'autore nota con cura che questa è una stima approssimativa, un limite superiore grezzo piuttosto che una misurazione precisa. Essa si basa su assunzioni specifiche su come i buchi neri si fondono in una sequenza e su come le stelle circostanti influenzano il loro moto. Il documento non sostiene di aver risolto definitivamente il mistero della formazione dei buchi neri, ma offre piuttosto un limite plausibile basato sull'attuale comprensione della fisica e dell'età del cosmo. Suggerisce che, sebbene l'universo sia vasto e antico, non è abbastanza vecchio da permettere la formazione di buchi neri significativamente più grandi di questo limite calcolato attraverso il processo standard di fusioni binarie. Questo lavoro aggiunge un tassello cruciale al puzzle dell'evoluzione cosmica, definendo i confini di ciò che è possibile per gli oggetti più massicci in esistenza.