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Il buco nero più massiccio mai individuato tramite onde gravitazionali potrebbe non essere così massiccio come sembrava. Un nuovo studio rimette in discussione i numeri di GW231123, il segnale captato dai rivelatori LIGO a novembre 2023, che raccontava la fusione di due buchi neri con una massa complessiva stimata tra 190 e 265 volte quella del Sole. Un record, all’epoca. Ora però l’ipotesi è un’altra, e riguarda ciò che quel segnale ha incontrato lungo la strada verso la Terra.
Srashti Goyal, Héctor Villarrubia Rojo e Miguel Zumalacárregui, ricercatori legati all’Istituto Max Planck di Fisica Gravitazionale, propongono che GW231123 sia passato attraverso una sorta di lente cosmica. Una combinazione di lente gravitazionale e microlente, capace non soltanto di amplificare l’intensità delle onde, ma anche di modificarne leggermente la forma. Il principio è noto dalla relatività generale, la gravità di un oggetto molto massiccio incurva lo spaziotempo e con esso il percorso della luce o delle onde gravitazionali. Un segnale che sfiora una grande concentrazione di materia arriva a noi ingrandito, come se avesse attraversato una lente gigantesca.
Il punto interessante è l’effetto combinato. L’espansione dell’universo fa sì che una sorgente molto distante appaia più pesante di quanto sia realmente, perché la massa osservata è influenzata dallo spostamento verso il rosso. Nello stesso tempo una lente gravitazionale amplifica il segnale e fa sembrare la sorgente più vicina. Due distorsioni che, sommandosi, possono gonfiare la stima della massa. “Come la luce, anche le onde gravitazionali possono essere deviate, amplificate e divise in segnali multipli dall’azione di oggetti massicci”, spiega Zumalacárregui, a capo di un gruppo nel Dipartimento di Relatività Astrofisica e Cosmologica dell’istituto. “Nel caso delle onde gravitazionali, gli effetti di diffrazione e interferenza ci offrono un modo aggiuntivo per identificare e studiare i segnali distorti”.
Da 230 a 140 masse solari
Per verificare l’ipotesi il gruppo ha analizzato il segnale in tre scenari diversi, senza lente, con una lente puntiforme isolata e con una lente puntiforme immersa in un campo gravitazionale più grande, quello che potrebbe generare una galassia. L’ultimo caso è il più completo, perché tiene conto di scale gravitazionali diverse allo stesso tempo. I risultati puntano verso l’interpretazione del lensing gravitazionale. Le simulazioni condotte per stimare la probabilità che il rumore dei rivelatori avesse prodotto per caso un segnale simile indicano un tasso di falso allarme inferiore all’1%. Gli autori, però, precisano che non si tratta ancora di una rilevazione definitiva della lente.
L’indizio più solido sta in una piccola distorsione. Una lente compatta può generare diffrazione in regime di ottica ondulatoria, e l’onda mostra interferenze e alterazioni caratteristiche invece di comportarsi come un semplice raggio che segue una traiettoria precisa. In GW231123 compare una struttura aggiuntiva separata di circa 20 millisecondi dal segnale principale, e secondo l’analisi quella caratteristica non si spiega del tutto con la consueta approssimazione dell’ottica geometrica.
Se la lettura è corretta, cambia anche la storia dei due buchi neri coinvolti. Senza lente il sistema arriva a una massa totale vicina a 232 masse solari e richiede oggetti straordinariamente pesanti, con velocità di rotazione altissime, difficili da giustificare nei modelli abituali di formazione. Con la lente inclusa il quadro si ammorbidisce, la massa totale intrinseca scende attorno a 137 masse solari come valore mediano, con componenti singole sotto le 100 e le 50 masse solari, mentre la sorgente si collocherebbe a uno spostamento verso il rosso vicino a 1,2, dunque molto più lontana.
Il mistero della lente
Resta la domanda su cosa abbia funzionato da lente. Lo studio stima che l’oggetto compatto responsabile della diffrazione possa avere tra 188 e 850 masse solari, nel modello della lente immersa in una galassia. “Se assumiamo che GW231123 sia stata deviata e distorta da un oggetto compatto tra 190 e 850 masse solari, o da una struttura estesa come un ammasso globulare, possiamo comprendere le elevate masse osservate”, dice Goyal. “Inoltre, l’interpretazione basata sull’effetto di lente non richiede spin insolitamente alti”.
“La nostra analisi suggerisce anche che la lente compatta fosse immersa in un campo gravitazionale più grande, come quello della galassia che la ospitava”, aggiunge Villarrubia Rojo, ricercatore postdoc all’Università Complutense di Madrid. “Includendo questo potenziale esterno possiamo descrivere la diffrazione su piccola scala e l’amplificazione su grande scala dentro un unico quadro teorico”.
Una possibilità è un buco nero di massa intermedia, ma la natura dell’oggetto non è determinabile. Potrebbe trattarsi di una struttura estesa oppure di un insieme di oggetti stellari. “La natura della lente resta un grande mistero nella nostra analisi, perché lenti compatte individuali tra 100 e 1000 masse solari dovrebbero essere estremamente rare”, osserva Zumalacárregui. “In lavori futuri sarà necessario stabilire se tali lenti possano formarsi o se un insieme di oggetti più leggeri, comprese le stelle, possa spiegare il fenomeno”. Lo studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal Letters.
