Alcuni buchi neri non dovrebbero esistere, almeno secondo la fisica tradizionale. Eppure sono lì, nascosti tra i dati raccolti dai rivelatori di onde gravitazionali, con masse troppo grandi per essere il risultato della morte di una stella e troppo piccole per appartenere alla categoria dei colossi al centro delle galassie. Un gruppo internazionale di astrofisici ha ora trovato prove convincenti del fatto che questi oggetti non nascono affatto nel senso classico del termine: vengono costruiti pezzo dopo pezzo, attraverso fusioni successive di buchi neri più piccoli. L’universo, in pratica, li assembla.
La teoria dell’evoluzione stellare racconta una storia piuttosto lineare. Le stelle più massicce, quando esauriscono il combustibile nucleare, collassano su sé stesse formando un punto di densità estrema che curva lo spazio fino all’infinito. È il buco nero classico, con una massa compresa tra 10 e 40 volte quella del Sole. All’altro capo dello spettro ci sono i buchi neri supermassicci, quelli che occupano il centro delle galassie con milioni o miliardi di masse solari, e la cui formazione risale ai primissimi istanti dell’universo. Il problema sorge nel mezzo. Esiste una fascia, tra 40 e 100 masse solari, che la fisica stellare convenzionale non riesce a giustificare. Troppo pesanti per derivare dal collasso di una singola stella, troppo leggeri per essere nati dal collasso di enormi nubi di materia primordiale. Eppure compaiono spesso nelle rilevazioni. Da qui l’etichetta di buchi neri “impossibili”.
La firma nascosta nelle onde gravitazionali
L’ipotesi che questi buchi neri potessero formarsi dalla fusione di oggetti più piccoli circolava già da tempo tra gli astrofisici, ma mancavano le prove. Poi sono arrivati i rivelatori di onde gravitazionali, strumenti capaci di misurare le microdistorsioni dello spazio provocate dalla collisione di corpi ultradensi. La prima rilevazione risale al 2015, e da allora ogni nuovo segnale ha permesso di capire meglio cosa succede quando due buchi neri si scontrano. Soprattutto, ha rivelato che queste collisioni avvengono con una frequenza molto maggiore di quanto si pensasse.
Lo studio, pubblicato il 7 maggio su Nature Astronomy, ha lavorato su un catalogo di 153 rilevazioni affidabili di fusioni tra buchi neri, raccolte dai tre principali osservatori di onde gravitazionali al mondo. Di queste, 34 riguardavano oggetti particolarmente pesanti. Ed è proprio qui che le cose si fanno interessanti.
Due popolazioni distinte, una scoperta netta
Confrontando i segnali, il gruppo di ricerca ha individuato due popolazioni ben diverse. I buchi neri più leggeri, fino a circa 40 masse solari, mostravano una rotazione lenta e ordinata, orientata nella stessa direzione. Esattamente quello che ci si aspetta da un oggetto nato dal collasso stellare. Superata però la soglia delle 45 masse solari, il quadro cambiava radicalmente. La seconda popolazione era composta da buchi neri più pesanti, che ruotano velocemente e in direzioni del tutto caotiche. Questa è una firma statistica che può emergere solo quando un oggetto ha già partecipato a una fusione precedente: è, in sostanza, un buco nero di seconda generazione.
“È esattamente la firma che ci aspetteremmo se i buchi neri si fondessero ripetutamente all’interno di densi ammassi stellari“, ha spiegato la dottoressa Isobel M. Romero Shaw, coautrice della ricerca, in un comunicato dell’Università di Cardiff.