Nel 2017, un'onda gravitazionale risuonò sulla Terra come il tono chiaro di una campana. Allungò e schiacciò ogni persona, formica e strumento scientifico del pianeta mentre attraversava la nostra regione di spazio. Ora, i ricercatori sono tornati indietro e hanno studiato quell'onda, trovando in essa dati nascosti, dati che aiutano a confermare un'idea astrofisica vecchia di decenni.
Quell'onda del 2017 è stata un grosso problema: per la prima volta, gli astronomi avevano uno strumento in grado di rilevarlo e registrarlo mentre passava, noto come Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Quella prima ondata fu il risultato, trovarono, di due buchi neri che si schiantavano insieme nello spazio. E ora, una squadra di astrofisici ha dato un'altra occhiata alla registrazione e ha scoperto qualcosa che altri avrebbero pensato che ci sarebbero voluti decenni per scoprire: la conferma precisa del "teorema del no-hair". Questo aspetto essenziale della teoria del buco nero risale almeno agli anni '70, un teorema di cui Stephen Hawking dubitava notoriamente.
Quando i fisici affermano che i buchi neri non hanno "capelli", ha detto Maximiliano Isi, fisico del MIT e autore principale dell'articolo, intendono dire che gli oggetti astrofisici sono molto semplici. I buchi neri differiscono l'uno dall'altro solo in tre modi: velocità di rotazione, massa e carica elettrica. E nel mondo reale, i buchi neri probabilmente non differiscono molto nella carica elettrica, quindi differiscono solo in termini di massa e rotazione. I fisici chiamano questi oggetti calvi "buchi neri di Kerr".
Che la pigrizia rende i buchi neri molto diversi da qualsiasi altro oggetto nell'universo, Isi ha detto a Live Science. Quando una vera campana suona, ad esempio, emette onde sonore e alcune onde gravitazionali non rilevabili, incredibilmente deboli. Ma è un oggetto molto più complicato. Una campana è fatta di un materiale, ad esempio (forse bronzo o ghisa), mentre secondo il modello no-hair, i buchi neri sono tutte singolarità uniformi. Ogni campana ha anche una forma in qualche modo unica, mentre i buchi neri sono tutti punti infinitesimali e senza dimensioni nello spazio circondati da orizzonti di eventi sferici. Tutte quelle caratteristiche di una campana possono essere rilevate nel suono emesso da una campana, almeno se si conosce qualcosa delle campane e delle onde sonore. Se potessi in qualche modo percepire le onde gravitazionali di una campana, rileveresti anche quelle differenze nella composizione e nella forma della campana, ha detto Isi.
"Il segreto di tutto questo business è che la forma d'onda - il modello di questo stiramento e spremitura - codifica le informazioni sulla fonte, la cosa che ha reso questa onda gravitazionale", ha detto a Live Science.
E gli astronomi che studiano l'onda del 2017 hanno imparato molto sulla collisione del buco nero che l'ha generata, ha detto Isi.
Ma la registrazione è stata debole e non molto dettagliata. LIGO, il miglior rivelatore di onde gravitazionali al mondo, ha usato un laser per misurare le distanze tra gli specchi disposti a 4 miglia di distanza in un modello a L nello stato di Washington. (La Vergine, un rilevatore simile, ha anche raccolto l'onda in Italia.) Mentre l'onda rotolava su LIGO, deformava lo spazio-tempo stesso e cambiava leggermente la distanza. Ma i dettagli di quell'onda graviazionale non erano abbastanza intensi per essere registrati dai rivelatori, ha detto Isi.
"Ma è come se ascoltassimo da molto lontano", ha detto Isi.
All'epoca quell'ondata offrì molte informazioni. Il buco nero si è comportato come previsto. Non c'erano prove evidenti che mancasse di un orizzonte degli eventi (la regione oltre la quale nessuna luce può sfuggire) e che non si discostasse drammaticamente dal teorema del no-hair, ha detto Isi.
Ma i ricercatori non potevano essere certi di molti di questi punti, in particolare il teorema del no-hair. La parte più semplice della forma d'onda da studiare, ha detto Isi, è arrivata dopo che i due buchi neri si sono fusi in un buco nero più grande. Continuò a suonare per un po ', proprio come una campana suonata, mandando la sua energia in eccesso nello spazio come onde gravitazionali - ciò che gli astrofisici chiamano il processo "ringdown".
A quel tempo, i ricercatori che osservavano i dati LIGO individuarono solo una forma d'onda nel ringdown. I ricercatori hanno pensato che ci sarebbero voluti decenni per sviluppare strumenti abbastanza sensibili da raccogliere eventuali sfumature più tranquille nel ringdown. Ma uno dei colleghi di Isi, Matt Giesler, un fisico del California Institute of Technology, ha capito che ci fu un breve periodo subito dopo la collisione in cui il ringdown era abbastanza intenso da far sì che LIGO registrasse più dettagli del solito. E in quei momenti l'onda era abbastanza forte che LIGO raccolse una sfumatura - una seconda onda a una frequenza diversa, proprio come le deboli note secondarie che sono portate nel suono di una campana suonata.
Negli strumenti musicali, le sfumature contengono la maggior parte delle informazioni che danno agli strumenti i loro suoni distintivi. Lo stesso vale per le sfumature di un'onda gravitazionale, ha detto. E questa nuova sfumatura scoperta ha chiarito molto i dati sul buco nero che squillava, ha detto Isi.
Dimostrò, disse, che il buco nero era almeno molto vicino a un buco nero di Kerr. Il teorema no-hair può essere usato per prevedere come apparirà il tono; Isi e il suo team hanno dimostrato che la sfumatura corrispondeva praticamente a quella previsione. Tuttavia, la registrazione dell'overtone non era molto chiara, quindi è ancora possibile che il tono fosse in qualche modo diverso - di circa il 10% - da ciò che il teorema avrebbe previsto ...
Per andare oltre quel livello di precisione, ha detto, avresti bisogno di estrarre una sfumatura più chiara dalla forma d'onda di una collisione del buco nero, o costruire uno strumento più sensibile di LIGO, ha detto Isi.
"La fisica si avvicina sempre di più", ha detto Isi. "Ma non puoi mai esserne sicuro."
È anche possibile che il segnale dell'overtone non sia reale, ma si sia verificato per puro caso a causa di fluttuazioni casuali dei dati. Hanno riferito di una "fiducia 3.6σ" nell'esistenza del tono. Ciò significa che c'è circa 1 su 6.300 possibilità che il tono non sia un vero segnale dal buco nero.
Man mano che gli strumenti migliorano e vengono rilevate più onde gravitazionali, tutti questi numeri dovrebbero diventare più sicuri e precisi, ha detto Isi. LIGO ha già subito aggiornamenti che hanno reso il rilevamento delle collisioni dei buchi neri abbastanza abituale. Un altro aggiornamento, previsto per la metà del 2020, dovrebbe aumentare di dieci volte la sua sensibilità, secondo Physics World. Una volta lanciata la LISA (Laser Interferometer Space Antenna) basata sullo spazio, la metà degli anni 2030, gli astronomi dovrebbero essere in grado di confermare la pigrizia dei buchi neri a livelli di certezza oggi impossibili.
Tuttavia, ha detto Isi, è sempre possibile che i buchi neri non siano completamente calvi: potrebbero avere un po 'di fuzz di pesca quantica che è semplice, troppo morbido e corto per essere raccolto dai nostri strumenti.
