Perché i buchi neri sono così grandi?

L’astronomia insegna che al centro di ogni grande galassia c’è un buco nero: ad esempio, il centro della Via Lattea è abitato da Sagittarius A* un gigante che alcuni ritengono possa essere grande fino a quattro milioni di volte il Sole. Ora, come mai i buchi neri sono così grandi?

Su Science è appena stato pubblicato un articolo in cui si usano le onde gravitazionali per rispondere al quesito. Lo studio è stato condotto congiuntamente dal dottor Ryan Shannon, un borsista PostDoc del CSIRO, e da Vikram Ravi, un dottorando dell’Università di Melbourne.

Confrontando gli attuali modelli teorici sulla crescita dei buchi neri con i dati osservativi ottenuti dal radiotelescopio Parkes del CSIRO, in Australia, per la prima volta è stato possibile usare le informazioni derivanti dalle onde gravitazionali per studiare un altro aspetto dell’universo, la crescita dei supermassive black holes (SMBHs). 

Il radio telescopio Parkes. (Crediti: Swinburne Astronomy Productions).

“I buchi neri sono quasi impossibili da osservare direttamente, ma armati di questo nuovo potente strumento possiamo fare enormi passi avanti in astronomia. Esiste già un modello condiviso di come i buchi neri crescono, da adesso possiamo iniziare a ipotizzarne degli altri”, ha spiegato Ramesh Bhat del Curtin University node of the International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR).

L’esistenza di onde gravitazionali è stata prevista dalla Relatività Generale di Einstein. Si tratta di increspature dello spazio-tempo che “cambiano direzione” quando si imbattono in corpi particolarmente massicci. In teoria è possibile catturare le onde deviate dai buchi neri: quando due galassie entrano in collisione, anche i buchi neri che ospitano si fondono e questo evento “genera” onde gravitazionali a bassa frequenza – che sono rilevabili dalla strumentazione in nostro possesso. 

Il radiotelescopio di Parkes è in grado di intercettare questa tipologia di onde, visto che è stato costruito per studiare soprattutto le pulsar. Le pulsar agiscono come orologi estremamente precisi nello spazio, nel senso che il tempo di arrivo dei loro impulsi sulla Terra è misurato con estrema precisione (a meno di un decimo di microsecondo). Vediamo di capire cosa significa. Detto in maniera non tecnica, quando le onde attraversano una regione dello spazio-tempo in cui ci sono oggetti supermassicci, è come se le distanze tra tutti gli oggetti che contiene si dilatassero e restringessero, alterando il tempo di arrivo degli impulsi sulla Terra.

Da oltre vent’anni il Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), una collaborazione tra il CSIRO e l’Università di Swinburne, analizza i dati temporali studiando le onde gravitazionali. Ovviamente non è un periodo abbastanza lungo per ottenere risultati definitivi; per ora quelle rilevate sembrano essere abbastanza deboli: “la forza di un’onda gravitazionale dipende da vari fattori, da l tempo che impiegano i buchi neri a fondersi quando le galassie collidono, dalla loro massa, e da quanto lontano sono da noi. Quindi, se il rumore di fondo è basso, esiste un limite su uno o più di questi fattori”, ha precisato Ramesh Bhat. 

Il limite di cui si parla è un limite probabilistico usato per valutare la consistenza teorico-matematica delle ipotesi formulate. Utilizzando come base i dati del PPTA, i ricercatori hanno testato quattro modelli di crescita dei buchi neri. Per ora lo studio riguarda solo un caso: l’analisi dei modi in cui potrebbe crescere del buco nero risultante dalla fusione di due “supermassive black holes” a seguito della collisione di due galassie. Ulteriori studi condotti con l’apporto del Murchison Widefield Array (MWA) potranno forse confermare queste ipotesi e a porre le basi, forse, per uno studio più sistematico concernente la massa di questi mostri dello spazio.