“Ombre” in scala di due buchi neri supermassicci nel processo di collisione

In questa simulazione di una fusione di buchi neri supermassicci, il buco nero spostato verso il blu più vicino allo spettatore gonfia il buco nero spostato verso il rosso sullo sfondo attraverso una lente gravitazionale. I ricercatori hanno rilevato un apparente calo di luminosità quando il buco nero più vicino è passato davanti all’ombra della sua controparte, un’osservazione che può essere utilizzata per misurare le dimensioni dei buchi neri e testare teorie di gravità alternative. Credito: Jordi Davilar

Nel processo di fusione dei buchi neri supermassicci, un nuovo modo di misurare il vuoto

Gli scienziati hanno scoperto un modo per quantificare le “ombre” di due buchi neri supermassicci nel processo di collisione, fornendo agli astronomi un potenziale nuovo strumento per misurare i buchi neri in galassie lontane e testare teorie gravitazionali alternative.

Tre anni fa, il mondo è rimasto sbalordito dalla prima immagine di un buco nero. Un buco nero dal nulla circondato da un anello di luce infuocata. Quell’immagine iconica di[{” attribute=””>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Simulazione di lenti gravitazionali in una coppia di buchi neri compatti supermassicci. Credito: Jordi Devalar

Questa tecnica ha solo due requisiti. Innanzitutto, hai bisogno di un paio di buchi neri supermassicci nel bel mezzo di una fusione. In secondo luogo, dovresti guardare la coppia all’incirca con un angolo laterale. Da questa vista laterale, quando un buco nero passa di fronte all’altro, dovresti essere in grado di vedere un lampo di luce mentre l’anello luminoso del buco nero viene ingrandito dal buco nero più vicino a te, un fenomeno noto come lente gravitazionale.

L’effetto della lente è noto, ma quello che i ricercatori hanno scoperto qui è stato un segnale sottile: un caratteristico calo di luminosità corrispondente all'”ombra” del buco nero sullo sfondo. Questo sottile oscuramento può durare da poche ore a pochi giorni, a seconda delle dimensioni dei buchi neri e di quanto siano aggrovigliate le loro orbite. Se misuri la durata della goccia, dicono i ricercatori, puoi stimare la dimensione e la forma dell’ombra creata dall’orizzonte degli eventi di un buco nero, il punto di non uscita, dove nulla sfugge, nemmeno la luce.

In questa simulazione di una coppia di buchi neri supermassicci uniti, il buco nero più vicino allo spettatore si avvicina e quindi appare blu (Riquadro 1), gonfiando il buco nero spostato verso il rosso dietro attraverso una lente gravitazionale. Quando il buco nero più vicino amplifica la luce del buco nero più lontano (Riquadro 2), lo spettatore vede un lampo di luce brillante. Ma quando il buco nero più vicino passa davanti a un abisso o all’ombra del buco nero più lontano, lo spettatore vede una leggera diminuzione della luminosità (Riquadro 3). Questa diminuzione della luminosità (3) è chiaramente visibile nei dati della curva di luce sotto le immagini. Credito: Jordi Devalar

“Ci sono voluti anni e un enorme sforzo da parte di dozzine di scienziati per realizzare quell’immagine ad alta risoluzione dei buchi neri M87”, ha affermato il primo autore dello studio, Jordi Davilar, un post-dottorato alla Columbia e al Flatiron Center for Computational Astrophysics. “Questo approccio funziona solo con i buchi neri più grandi e vicini: la coppia al centro di M87 e forse la nostra Via Lattea”.

Ha aggiunto: “Con il nostro metodo si misura la luminosità dei buchi neri nel tempo e non è necessario risolvere spazialmente ogni oggetto. Dovrebbe essere possibile trovare questo segnale in molte galassie”.

L’ombra del buco nero è la sua caratteristica più misteriosa e istruttiva. “Quella macchia scura ci parla delle dimensioni del buco nero, della forma dello spaziotempo che lo circonda e di come la materia cada nel buco nero vicino al suo orizzonte”, ha detto il coautore Zoltan Haiman, professore di fisica alla Columbia University.

Quando si osserva una fusione di un buco nero supermassiccio di lato, il buco nero più vicino allo spettatore ingrandisce il buco nero più lontano per effetto di una lente gravitazionale. I ricercatori hanno rilevato un breve calo di luminosità corrispondente all'”ombra” del buco nero distante, consentendo allo spettatore di misurarne le dimensioni. Credito: Nicoletta Barolwini

Le ombre di un buco nero possono nascondere il segreto della vera natura della gravità, una delle forze fondamentali del nostro universo. La teoria della gravità di Einstein, nota come relatività generale, prevede le dimensioni dei buchi neri. Pertanto, i fisici li hanno cercati per testare teorie alternative della gravità nel tentativo di conciliare due idee contrastanti su come funziona la natura: la relatività generale di Einstein, che spiega fenomeni su larga scala come la rotazione planetaria e un universo in espansione, e la fisica quantistica, che spiega come piccole particelle come elettroni e fotoni occupino più stati contemporaneamente.

I ricercatori si sono interessati alla successiva accensione dei buchi neri supermassicci Caposquadra Una sospetta coppia di buchi neri supermassicci al centro di una lontana galassia nell’universo primordiale.[{” attribute=””>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010