Toward a complete understanding of the properties of GW190521
Questo articolo presenta una rianalisi completa dell'evento di onde gravitazionali GW190521 utilizzando diversi modelli di forma d'onda, rivelando che la sorgente era altamente eccentrica e che la precessione dello spin precedentemente inferita era in gran parte un artefatto delle degenerazioni eccentricità-spin, confermando al contempo un'alta probabilità che il buco nero primario risieda all'interno del gap di massa delle supernove a instabilità di coppia.
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Nelle profondità silenziose dello spazio, due oggetti massicci possono spiraleggiare l'uno verso l'altro, restringendo la loro orbita fino a collidere in una fusione violenta. Quando questi oggetti sono buchi neri, la loro collisione invia increspature attraverso il tessuto stesso dello spaziotempo, note come onde gravitazionali. I rilevatori sulla Terra, abbastanza sensibili da misurare variazioni più piccole di un singolo atomo, ascoltano queste increspature. Un tale evento, rilevato nel maggio 2019, è stato diverso da qualsiasi altro visto in precedenza. Proveniva da due buchi neri così pesanti che la loro massa combinata era quasi 150 volte quella del nostro Sole, creando un singolo buco nero ancora più massiccio. Questo evento è stato così imponente che il segnale inviato alla Terra è stato incredibilmente breve, durando solo una frazione di secondo, con i rilevatori che hanno catturato solo un manipolo di onde prima che il segnale svanisse. Poiché il segnale era così breve, gli scienziati si sono trovati di fronte a un difficile enigma: i brevi dati contenevano molte diverse spiegazioni possibili su ciò che i buchi neri stavano facendo, e gli strumenti standard utilizzati per interpretare i dati faticavano a distinguerle.
Un team di ricercatori è tornato ora su questo misterioso evento per risolvere l'enigma, utilizzando un nuovo set di strumenti progettati per cercare una caratteristica specifica, spesso trascurata: l'eccentricità orbitale. In un'orbita perfettamente fluida, due oggetti ruotano l'uno attorno all'altro in un cerchio. Tuttavia, se l'orbita è allungata in una forma ovale, viene chiamata eccentrica. Per decenni, gli scienziati hanno assunto che i buchi neri che si fondono nell'isolamento silenzioso dello spazio avrebbero avuto orbite circolari. Ma se i buchi neri si formano in ammassi stellari affollati dove si scontrano tra loro, potrebbero essere scagliati in percorsi a forma di ovale prima di collidere. I ricercatori hanno rianalizzato i dati dell'evento del 2019 utilizzando modelli di forma d'onda che potessero tenere conto di queste orbite ovali, nonché del movimento oscillatorio causato dagli spin dei buchi neri. Hanno scoperto che i dati supportano fortemente l'idea che i buchi neri si muovessero effettivamente in un'orbita altamente eccentrica e di forma ovale. L'analisi suggerisce che al momento in cui il segnale è iniziato, l'orbita fosse allungata a un grado di 0,81, un valore che indica una forma ovale molto distinta rispetto a un cerchio.
Lo studio rivela che la precedente confusione su questo evento è derivata dal fatto che i modelli standard utilizzati dagli scienziati non erano autorizzati a guardare queste possibilità altamente ovali. Quando i ricercatori hanno limitato la loro ricerca solo a bassi livelli di eccentricità, i modelli non sono riusciti a trovare la vera forma dell'orbita, lasciando i dati dall'aspetto piatto e privi di informazioni. Tuttavia, una volta permesso ai modelli di esplorare l'intero intervallo di possibili forme ovali, i dati hanno indicato chiaramente un sistema altamente eccentrico. Questa scoperta ha risolto anche un secondo mistero: studi precedenti avevano suggerito che i buchi neri oscillassero selvaggiamente mentre spiralegggevano verso l'interno. La nuova analisi mostra che questa apparente oscillazione era in realtà un'illusione. I modelli stavano cercando di spiegare la forma ovale dell'orbita inventando un'oscillazione. Quando la forma ovale è stata inclusa nel calcolo, la necessità dell'oscillazione è scomparsa e i dati non hanno mostrato alcuna evidenza significativa di precessione indotta dallo spin.
I ricercatori hanno anche esaminato le masse dei due buchi neri. La loro analisi conferma che il buco nero più grande si trova quasi certamente all'interno di un "gap di massa" teorico, un intervallo di pesi in cui si ritiene che le stelle siano incapaci di formare naturalmente buchi neri. La probabilità che il buco nero primario cada in questo gap è almeno del 97 percento. Lo stato del buco nero più piccolo è meno certo e dipende da quale specifico modello viene utilizzato, ma i modelli più robusti suggeriscono che sia probabilmente anche esso in questo insolito intervallo di massa. Per garantire che le loro scoperte non fossero solo il risultato della matematica, il team ha eseguito una serie di test. Hanno creato segnali falsi che imitavano l'evento reale, iniettandoli nel software di analisi per vedere se i modelli potessero identificare correttamente la sorgente. Quando hanno fornito al software un segnale falso con un'orbita altamente ovale ma senza oscillazione, i modelli standard che ignoravano la forma ovale hanno erroneamente inventato un'oscillazione per spiegare i dati. Viceversa, quando hanno fornito al software un segnale con una vera oscillazione ma un'orbita circolare, i modelli hanno identificato correttamente l'oscillazione e non hanno inventato una forma ovale. Ciò ha confermato che i modelli funzionavano correttamente e che il vero evento era effettivamente altamente eccentrico.
Infine, il team ha testato il loro modello più avanzato contro simulazioni al computer di buchi neri in collisione che erano note per essere altamente eccentriche. Hanno scoperto che il modello poteva riprodurre con successo la forma delle onde di queste simulazioni, anche se le simulazioni erano più estreme di qualsiasi cosa il modello fosse stato precedentemente testato. Questo dà loro la fiducia che la loro interpretazione del vero evento sia solida. Lo studio conclude che l'evento del 2019 è stato una collisione di due buchi neri in un'orbita altamente allungata e ovale, probabilmente formata in un ambiente stellare affollato. Questa scoperta cambia la nostra comprensione di come questi oggetti massicci si comportano e spiega perché i tentativi precedenti di descrivere l'evento abbiano portato a risultati contrastanti. Permettendo ai dati di parlare da soli senza forzarli in una forma circolare, i ricercatori hanno scoperto un quadro più chiaro di uno degli eventi più massicci ed energetici mai registrati nella storia dell'astronomia delle onde gravitazionali.
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