Le fusioni dei buchi neri sono bellissime e rappresentano alcuni degli eventi più violenti del cosmo. Ecco come si svolge il processo.
La storia inizia con due buchi neri orbitanti lontani l’uno dall’altro in cerchi lunghi e pigri. Potrebbero essere nati come una coppia binaria di stelle, o potrebbero essersi incontrati casualmente nelle profondità di spazio interstellare. In ogni caso, per fondersi, devono avvicinarsi, il che significa perdere molta energia orbitale.
Il primo passo per sottrarre energia al sistema avviene attraverso l’interazione dei buchi neri con il loro ambiente. Non sono soli: ci sono sempre sottili ciuffi di gas e polvere che fluttuano intorno, e talvolta ci sono oggetti ancora più grandi, come pianeti o pianeti. stelle. Tutti questi oggetti interagiscono attraverso gravità con il buco nero. A volte cadono e non si vedono mai più. Altre volte mancano di poco il bersaglio, ottenendo un piccolo aumento della velocità e assorbendo parte dell’energia orbitale del buco nero.
Una volta che i buchi neri si avvicinano abbastanza, subentra un altro processo. I buchi neri si muovono spazio–tempo mentre orbitano l’uno attorno all’altro, e questa agitazione si rilascia onde gravitazionali che emanano dalla coppia come increspature in uno stagno. Le onde gravitazionali, tuttavia, sono incredibilmente deboli e iniziano a consumare seriamente energia solo quando i buchi neri sono molto, molto vicini tra loro.
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Ciò ha portato gli astrofisici a un enigma chiamato “problema di parsec finale.” Le simulazioni hanno dimostrato che le interazioni gravitazionali con l’ambiente possono portare i buchi neri a una distanza di circa a parsec (circa 3,26 anni luce) l’uno dall’altro in un discreto lasso di tempo. Ma entro quella distanza, semplicemente non c’è abbastanza materiale per continuare a sottrarre energia. D’altra parte, alla stessa distanza, le onde gravitazionali sono troppo deboli e richiederebbero molti multipli della distanza età dell’universo per portare a termine il lavoro.
L’ultimo problema del parsec è attualmente un enigma irrisolto astrofisica. Ma qualunque meccanismo avvenga, alla fine i buchi neri si avvicinano abbastanza da consentire alle onde gravitazionali di estrarre davvero molta energia dal sistema. A questo punto i buchi neri hanno solo pochi secondi prima di fondersi.
A queste distanze ravvicinate, i buchi neri iniziano a deformarsi a vicenda. Non hanno realmente superfici; gli orizzonti degli eventi sono confini invisibili che segnano la regione senza scampo. Ma la forma del orizzonte degli eventi dipende non solo dal buco nero stesso ma anche dalla geometria dello spazio-tempo attorno ad esso. Quindi, mentre i buchi neri iniziano la loro danza mortale, gli orizzonti degli eventi si allungano e si allungano l’uno verso l’altro.
Comprendiamo cosa accadrà dopo solo attraverso complesse simulazioni al computer che monitorano e tracciano l’evoluzione degli orizzonti degli eventi. Nei millisecondi prima dell’impatto, ogni buco nero emette un sottile viticcio – un minuscolo tunnel del suo orizzonte degli eventi – verso il suo compagno. Questi viticci si incontrano e si fondono, formando un ponte tra i due buchi neri, come se fossero collegati da un cordone ombelicale.
Molto rapidamente, il ponte si allarga e gli orizzonti degli eventi si incollano, come due bolle di sapone in collisione. Nel giro di un istante, i buchi neri si fondono in uno solo.
Quello che succede all’interno nessuno lo sa. IL centro di un buco nero è conosciuto come una singolarità, un punto di densità infinita. È qui che la nostra attuale comprensione della fisica crolla. Le simulazioni mostrano che le singolarità si trovano rapidamente, orbitano brevemente e poi si fondono, ma ciò che accade realmente non è chiaro.
Stranamente, il buco nero appena fuso ha una massa inferiore alla massa combinata della coppia originale. Ad esempio, nel 2016, il LIGO Collaborazione scientifica rilevato il primo evento di onde gravitazionali dalla fusione di buchi neri, scoprendo che un buco nero di 36 masse solari si era fuso con un buco nero di 30 masse solari per crearne uno nuovo che pesava solo 63 masse solari.
Cosa è successo ai tre extra? masse solari? Quella massa è stata convertita in energia sotto forma di onde gravitazionali. Qualcuno doveva pagare per tutta la perdita di energia, e questa proveniva dalla conversione della massa stessa del buco nero. In ogni fusione di buchi neri, circa il 5% viene convertito in onde gravitazionali.
In prospettiva, è come convertire tre interi soli in pura energia. Quando i buchi neri si scontrano, rilasciano più energia di quella di ogni stella al loro interno l’universo – e tutto accade nel silenzio e nell’oscurità più completi e assoluti.
