Una nuova scorciatoia matematica aiuta a descrivere le collisioni di buchi neri

Quali tipi di situazioni potrebbero creare tali fusioni? I ricercatori non ne sono sicuri, poiché questa è una nuova frontiera dell’universo. Ma ci sono alcune possibilità.

In primo luogo, gli astronomi possono immaginare un buco nero di massa intermedia di forse 80 o 100 masse solari in collisione con un buco nero di dimensioni stellari più piccole di circa 5 masse solari.

Un’altra possibilità implicherebbe una collisione tra un buco nero stellare di varietà da giardino e un buco nero relativamente piccolo lasciato dal Big Bang—un buco nero “primordiale”. Questi potrebbero avere appena l’1 percento di una massa solare, mentre la stragrande maggioranza di buchi neri rilevati da LIGO finora pesano più di 10 masse solari.

All’inizio di quest’anno, i ricercatori del Max Planck Institute for Gravitational Physics hanno utilizzato il modello surrogato di Field e Khanna per esaminare i dati LIGO alla ricerca di segni di onde gravitazionali provenienti da fusioni che coinvolgono buchi neri primordiali. E anche se non ne hanno trovati, sono stati in grado di porre limiti più precisi alla possibile abbondanza di questa ipotetica classe di buchi neri.

Inoltre, LISA, un osservatorio di onde gravitazionali pianificato nello spazio, potrebbe un giorno essere in grado di assistere a fusioni tra i buchi neri ordinari e le varietà supermassicce al centro delle galassie, alcune con la massa di un miliardo o più di soli. Il futuro di LISA è incerto; la sua prima data di lancio è il 2035 e la sua situazione dei finanziamenti non è ancora chiara. Ma se e quando verrà lanciato, potremmo assistere a fusioni con rapporti di massa superiori a 1 milione.

Il punto di rottura

Alcuni sul campo, tra cui Hughes, hanno descritto il successo del nuovo modello come “l’irragionevole efficacia delle approssimazioni di particelle puntiformi”, sottolineando il fatto che l’efficacia del modello a bassi rapporti di massa pone un vero mistero. Perché i ricercatori dovrebbero essere in grado di ignorare i dettagli critici del buco nero più piccolo e arrivare comunque alla risposta giusta?

“Ci sta dicendo qualcosa sulla fisica sottostante”, ha detto Khanna, anche se esattamente ciò che è rimane una fonte di curiosità. “Non dobbiamo preoccuparci di due oggetti circondati da orizzonti di eventi che possono essere distorti e interagire tra loro in modi strani”. Ma nessuno sa perché.

In assenza di risposte, Field e Khanna stanno cercando di estendere il loro modello a situazioni più realistiche. In un documento che dovrebbe essere pubblicato all’inizio di questa estate sul server di preprint arxiv.org, i ricercatori danno un po ‘di rotazione al buco nero più grande, il che è previsto in una situazione astrofisicamente realistica. Ancora una volta, il loro modello corrisponde strettamente ai risultati delle simulazioni di relatività numerica con rapporti di massa fino a 3.

Successivamente hanno in programma di considerare i buchi neri che si avvicinano l’un l’altro su orbite ellittiche piuttosto che perfettamente circolari. Stanno anche pianificando, di concerto con Hughes, di introdurre la nozione di “orbite disallineate”, casi in cui i buchi neri sono obliqui l’uno rispetto all’altro, orbitanti su piani geometrici diversi.

Infine, sperano di imparare dal loro modello cercando di farlo rompere. Potrebbe funzionare con un rapporto di massa di 2 o inferiore? Field e Khanna vogliono scoprirlo. “Si acquisisce fiducia in un metodo di approssimazione quando lo si vede fallire”, ha detto Richard Price, un fisico al MIT. “Quando fai un’approssimazione che ottiene risultati sorprendentemente buoni, ti chiedi se stai in qualche modo barando, usando inconsciamente un risultato a cui non dovresti avere accesso.” Se Field e Khanna spingessero il loro modello al punto di rottura, ha aggiunto, “allora sapresti davvero che quello che stai facendo non è barare, che hai solo un’approssimazione che funziona meglio di quanto ti aspetteresti”.

Storia originale ristampato con il permesso di Quanta Magazine, una pubblicazione indipendente dal punto di vista editoriale del Fondazione Simons la cui missione è migliorare la comprensione della scienza da parte del pubblico coprendo gli sviluppi e le tendenze della ricerca nel campo della matematica e delle scienze fisiche e della vita.


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