Nel 2016, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali previste da Einstein, dando il via ad una nuova era per l’astronomia. Da allora numerosi eventi sono stati osservati, rivelando dettagli su buchi neri e stelle di neutroni. Un recente studio ha ora documentato un fenomeno mai osservato prima: una precessione orbitaria estremamente rapida in un sistema di buchi neri binari. Questa scoperta conferma ulteriori effetti della relatività generale in condizioni gravitazionali estreme.
La scoperta di una precessione orbitale nei buchi neri binari
Nel 2020, gli osservatori LIGO, Virgo e KAGRA hanno intercettato un evento chiamato GW200129, generato dalla fusione di due buchi neri. Un gruppo di ricercatori dell’università di Cardiff ha riesaminato i dati di questo sistema e ha identificato un tipo di movimento orbitale chiamato precessione, in cui l’asse delle orbite varia nel tempo. Questa precessione è risultata incredibilmente più veloce rispetto a qualsiasi altro fenomeno simile noto, circa 10 miliardi di volte superiore a quelli osservati in altri sistemi. Nonostante siano stati individuati oltre 80 sistemi binari di buchi neri dagli osservatori, questo rappresenta la prima osservazione concreta di un effetto di questo tipo tra buchi neri in orbita.
I due buchi neri si trovavano in una danza sempre più veloce che li ha portati alla fusione, ma prima di coalescere mostravano un movimento oscillatorio che influenzava l’intero sistema. La misura della precessione ha permesso di verificare un altro degli aspetti previsti dalla teoria della relatività generale, in particolare in contesti di gravità estremamente intensa.
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Effetto lense-thirring e il trascinamento dello spaziotempo
L’ormai noto fenomeno osservato prende il nome dallo “spostamento” dello spaziotempo causato dalle enormi forze gravitazionali dei buchi neri in rotazione rapida. Specificamente, uno dei due buchi neri coinvolti nel sistema ha una massa di circa 40 volte quella del Sole ed è stato identificato come il più veloce mai osservato tramite onde gravitazionali.
Questa rotazione accelera la precessione dell’orbita applicando una torsione allo spaziotempo circostante. Tale fenomeno prende il nome di effetto Lense-Thirring e consiste nel trascinamento del tessuto stesso dello spaziotempo. La conseguenza è che l’intero sistema oscilla avanti e indietro, un movimento già teorizzato da Einstein ma rilevato qui con una chiarezza e rapidità senza precedenti. Questo trascinamento crea quelli che possono essere descritti come nodi nello spaziotempo, deformandolo e influenzando la traiettoria dei corpi in un modo che va oltre la semplice attrazione gravitazionale.
La precessione come fenomeno osservabile solo nelle condizioni più estreme
Fenomeni simili si manifestano a livelli minori all’interno del nostro sistema solare, come nel caso dell’orbita di Mercurio che presenta una precessione del perielio, visibile nel tempo come una rotazione lenta della sua orbita attorno al Sole. Tuttavia, quella precessione è molto più debole e difficile da evidenziare.
Le onde gravitazionali sono intrinsecamente deboli, ed è necessario un apparato enormemente sensibile per catturarle. La precessione orbitale è ancor più sottile e nascosta dentro segnali già fragili, la sua individuazione richiede analisi meticolose e accurate. Nel sistema GW200129, la precessione orbitale è stata così intensa da superare di 10 miliardi di volte quella di un celebre sistema di pulsar binarie, dove orbite ben più lente compiono la rivoluzione in decenni.
Scoprire che questa precessione avviene in sistemi binari di buchi neri fornisce nuovi spunti per capire le dinamiche di questi mostri cosmici appena prima della fusione, ovvero uno degli eventi più energetici osservabili nell’universo.
Il ruolo della rete globale di osservatori e i prossimi passi
La rete formata da Advanced LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Europa e KAGRA in Giappone rappresenta oggi il fulcro della ricerca sulle onde gravitazionali. Grazie a questa struttura è possibile raccogliere dati da eventi in varie parti del cielo e confrontare i segnali per aumentarne l’affidabilità.
La rete si prepara ad entrare nel suo quarto ciclo operativo a partire dal 2023, con miglioramenti volte a potenziare la sensibilità e il rilevamento di eventi. Le previsioni indicano che centinaia di collisioni di buchi neri saranno osservate, ampliando il catalogo finora disponibile.
Questa mole di dati aiuterà gli astronomi a capire se eventi come GW200129, con una precessione così marcata, siano un’eccezione o rappresentino una caratteristica comune nei sistemi binari di buchi neri. Ogni nuova osservazione aiuta a mettere a fuoco i limiti della relatività generale e la natura dello spazio-tempo sotto pressioni gravitazionali estreme.