Lontano nelle profondità dello spazio, due buchi neri si avvicinano a spirale e si fondono. Potenti onde gravitazionali da quella danza della morte corrono attraverso il cosmo fino a quando le loro increspature raggiungono tre giganteschi rivelatori sulla Terra: due con il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) con sede negli Stati Uniti e il rivelatore europeo Virgo in Italia.

I rivelatori hanno percepito decine di tali cataclismi negli ultimi 5 anni, ma quello del 21 maggio 2019 era diverso. Non solo è stata la fusione più potente e distante mai vista, ma il buco nero risultante appartiene anche a una classe di buchi neri di peso medio a lungo ricercati, i membri della collaborazione LIGO-Virgo riferiscono oggi in due nuovi studi. Perplesso, tuttavia, i due buchi neri che si sono fusi sono più pesanti del previsto: Le loro masse cadono in una lacuna in cui i teorici credono che sia impossibile creare un buco nero attraverso il percorso abituale di una stella che collassa.

I buchi neri di classe stellare sono tipicamente creati quando una grande stella esaurisce il suo carburante nucleare e il motore di luce e calore si ferma. Senza quella pressione verso l’esterno, gli strati esterni della stella collassano per gravità, innescando una colossale supernova e lasciandosi dietro un buco nero. Ma nelle stelle più grandi, il collasso è ancora più catastrofico, causando un’esplosione termonucleare incontrollata che distrugge la stella e non lascia nulla dietro di sé. Teoricamente, questo significa che ci dovrebbe essere un cutoff nella massa dei buchi neri a circa 65 masse solari.

Fino a maggio 2019, le fusioni di buchi neri rilevate da LIGO e Virgo hanno ampiamente sostenuto questo cutoff di massa. Poi è arrivato l’evento noto come GW190521, che è durato appena un decimo di 1 secondo. Non è stato individuato dai soliti algoritmi che scansionano le fusioni binarie (che in genere durano diverse volte di più), ma è stato raccolto da una pipeline separata che cerca “cose che fanno bang”, dice Nelson Christensen, un fisico dell’Osservatorio della Costa Azzurra a Nizza e un membro del team LIGO-Virgo.

Anche se il segnale era breve – solo quattro cicli di onde su e giù – il team poteva ancora analizzarlo, analizzando la sua ampiezza, la sua forma e come la sua frequenza cambiava nel tempo. “Era molto difficile da interpretare”, dice il membro del team Alessandra Buonanno, direttore del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute). “

In due articoli pubblicati oggi – uno che descrive il rilevamento in Physical Review Letters, e uno che interpreta i dati in The Astrophysical Journal Letters – il team congiunto LIGO-Virgo dice che il modello che meglio si adatta ai dati è quello di due buchi neri – del peso di circa 66 e 85 masse solari – che si fondono in un buco nero di 142 soli. Le rimanenti otto masse solari sarebbero state convertite in energia delle onde gravitazionali. “Era sostanzialmente più grande di qualsiasi cosa avessimo visto”, dice Christensen.

Un buco nero con 142 masse solari lo mette immediatamente in una classe a sé stante. Mentre gli astronomi conoscono da tempo i buchi neri più piccoli e i giganti nei centri galattici composti da milioni o miliardi di soli, quelli di medie dimensioni – da 100 a 100.000 masse solari – sono stati vistosamente assenti. Gli astronomi credono che siano necessari come mattoni per i buchi neri supermassicci, e ci sono prove indirette della loro esistenza, ma questo potrebbe essere l’avvistamento più convincente finora, anche se proprio nella parte inferiore della gamma. “Questo è solo un suggerimento che c’è qualcosa in questa gamma di masse”, dice l’astrofisico Avi Loeb dell’Università di Harvard che non è stato coinvolto nello studio.

Per gli astrofisici sono forse più interessanti le origini dei due buchi neri che si fondono. Quello più leggero è proprio sulla cuspide del divario di massa, quindi potrebbe essersi formato da una singola stella gargantuesca. Ma 85 masse solari sono difficili da spiegare. “È emozionante perché è stato inaspettato”, dice Loeb. “Il divario di massa era robusto, ma ora la porta è aperta a nuovi modelli”

Nel loro documento interpretativo, il team ha esaminato molte possibili spiegazioni. I buchi neri potrebbero essere primordiali, essendo rimasti in giro dal vortice del primo universo prima che nascessero le prime stelle. O potrebbero essere stati piccoli buchi neri, con una fusione che è stata ingrandita dalla lente gravitazionale. O forse – più esoticamente – le increspature provenivano da stringhe cosmiche, ipotetici difetti nel vuoto lasciati dal big bang. Ma nessuna di queste spiegazioni si adattava ai dati così bene come una coppia di pesi massimi in fusione. Così, il team ha ripiegato sul “buon vecchio rasoio di Occam”, dice Christensen: La spiegazione più semplice è probabilmente corretta.

Loeb crede che i pesi massimi siano probabilmente “multigenerazionali”, in cui i buchi neri più piccoli in aree dense di formazione di stelle si fondono più volte per produrre masse superiori al cutoff. Le galassie sono spesso circondate da densi ammassi di stelle chiamati ammassi globulari. Questi possono contenere centinaia di migliaia di stelle antiche: un terreno di coltura ideale per i buchi neri. Man mano che i buchi neri affondano verso il centro dell’ammasso globulare, è più probabile che si fondano con altri. “Questi ambienti sono specializzati, ed è per questo che li stiamo trovando solo ora”, dice, dopo che LIGO e Virgo hanno rilevato più di 60 fusioni.

Ma è probabile che gli ammassi contengano buchi neri di varie masse, e le fusioni asimmetriche producono esplosioni asimmetriche che possono spingere il nuovo buco nero fuori dall’ammasso fino a 1000 chilometri al secondo. Affinché gli ammassi siano vivai per i buchi neri nel gap di massa, i contraccolpi devono essere bassi e gli ammassi devono essere abbastanza massicci da impedirne la fuga, dice Loeb.

LIGO e Virgo sono in fase di aggiornamento e sono impostati per riprendere le osservazioni nel 2022 con una maggiore sensibilità, permettendo loro di esaminare tre volte tanto il cosmo. Trovare più fusioni così pesanti “ci insegnerà l’astrofisica di tali vivai stellari”, dice Loeb. “Più eventi abbiamo, più indizi sulle loro origini”.