Scoperte Recenti sulle Fusione di Buchi Neri: GW190521

I buchi neri (BH) sono oggetti misteriosi e potenti nel nostro universo. Possono formarsi quando stelle massive collassano sotto la loro stessa gravità. Tuttavia, come crescono e si uniscono è ancora un argomento di ricerca attiva, soprattutto per quanto riguarda i buchi neri più pesanti di quelli che di solito vediamo.

Un evento specifico, conosciuto come GW190521, ha attirato l'attenzione perché coinvolge buchi neri che rientrano in un intervallo di massa dove non ci aspetteremmo si formino facilmente. Questo evento mostra come due buchi neri si siano fusi per creare un nuovo buco nero più pesante. Le proprietà dei buchi neri prima della fusione-come la loro massa e il loro spin-si pensa siano influenzate dai loro "antenati". Questi antenati sono i buchi neri che si sono formati prima di loro, e capire le loro caratteristiche ci aiuta a capire come si sono formati i buchi neri che si sono fusi.

Un concetto importante in questa discussione è il "birth kick". Questo è un cambiamento improvviso di velocità che avviene durante la fusione dei buchi neri, che può portare il nuovo buco nero a essere espulso dalla sua posizione originale. Se questo kick è abbastanza forte, può mandare il buco nero a volare via dalla regione in cui si è formato, il che significa che non avrà la possibilità di unirsi ad altri buchi neri.

In questo lavoro, i ricercatori hanno analizzato GW190521 per saperne di più sui suoi buchi neri antenati e sul birth kick coinvolto. Hanno esaminato diversi scenari-se i buchi neri in fusione erano in un'orbita circolare o eccentrica-e come queste opzioni potessero influenzare le proprietà dei buchi neri formati.

Questo studio si è concentrato specificamente sul buco nero principale coinvolto in GW190521, che rientra in un intervallo di massa noto come il gap della Supernova a Instabilità di Coppia (PISN). Questo è un intervallo di massa dove non ci aspetteremmo che i buchi neri si formino dal collasso delle stelle, perché le stelle verrebbero distrutte prima di poterlo fare. Pertanto, i ricercatori stanno cercando di determinare la probabilità che questo buco nero e il suo corrispondente provengano da altri buchi neri che si sono fusi, piuttosto che formarsi direttamente da stelle.

#Come si uniscono e si formano i buchi neri

Il processo attraverso cui i buchi neri si formano e crescono è complesso. Mentre alcuni buchi neri possono formarsi dal collasso di stelle, la formazione di buchi neri più massicci, come quelli presenti nei centri delle galassie, non è ben compresa. Le osservazioni dei buchi neri in fusione, specialmente attraverso onde gravitazionali, offrono nuove intuizioni su questo processo di formazione.

Le onde gravitazionali sono increspature nello spaziotempo causate da oggetti massivi in movimento, come la fusione di buchi neri. Grazie ai recenti progressi nella rilevazione delle onde gravitazionali, gli scienziati sono riusciti a identificare numerosi eventi di fusione, fornendo un pool di dati per studiare come i buchi neri si comportano e si formano.

La maggior parte dei buchi neri in fusione osservati finora sembra essersi formata dalla morte di stelle. Tuttavia, alcuni casi, come GW190521, mostrano segni che potrebbero essere originati da processi diversi. In particolare, il buco nero principale in GW190521 si trova comodamente nel gap PISN, sollevando domande sulle sue origini dato che i buchi neri in quell'intervallo di massa non dovrebbero formarsi dal collasso delle stelle.

#Il ruolo dei buchi neri antenati

Per capire la formazione dei buchi neri coinvolti in GW190521, i ricercatori vogliono stimare le proprietà dei loro antenati. L'idea è che questi buchi neri in fusione potrebbero provenire da buchi neri più antichi che si sono scontrati e hanno formato i nuovi che vediamo oggi.

Determinare le masse, gli spin e i kick di questi buchi neri antenati è fondamentale. Il birth kick, o la velocità impartita durante la fusione, influisce su se il nuovo buco nero rimarrà nel suo ambiente ospitante. Se il kick è troppo forte, il buco nero potrebbe essere espulso dalla regione e non avrà la possibilità di unirsi di nuovo in futuro.

I ricercatori hanno impiegato diversi scenari per stimare le caratteristiche dei buchi neri antenati per GW190521. Hanno esaminato scenari sia quasi circolari che eccentrichi, che si riferiscono alle orbite dei buchi neri in fusione, e hanno considerato come questi diversi percorsi avrebbero influenzato le proprietà risultanti dei buchi neri formati.

#Stimare le proprietà degli antenati

I ricercatori hanno iniziato usando i dati delle onde gravitazionali di GW190521 per inferire le proprietà dei suoi buchi neri componenti. Comprendendo le attuali caratteristiche di questi buchi neri, possono fare ipotesi educate sui loro antenati.

Si sono concentrati sui posteriori, o le distribuzioni statistiche che dettagliano le proprietà dei buchi neri. Da queste distribuzioni, i ricercatori potevano stimare quanto pesanti potessero essere i buchi neri antenati, quali spin potessero avere e i birth kick avvenuti durante la loro formazione.

L'analisi ha rivelato schemi distinti a seconda che i buchi neri originali fossero in un'orbita quasi circolare o eccentrica. Ad esempio, se i buchi neri in fusione erano in un'orbita circolare, avevano una relazione diversa tra i loro spin e i kick rispetto a una fusione eccentrica. Alla fine, questi modelli hanno aiutato a chiarire quanto fosse probabile che i buchi neri in fusione di GW190521 provenissero da un'origine stellare precedente.

#L'impatto dei birth kick

Il birth kick gioca un ruolo cruciale nel determinare se un buco nero può rimanere nell'ambiente in cui si è formato. Se il kick supera la velocità di fuga dell'ambiente, il buco nero sarà espulso, rendendolo incapace di unirsi ad altri buchi neri.

Attraverso diversi scenari, i ricercatori hanno calcolato quanto fosse probabile che i buchi neri in GW190521 rimanessero nei loro ambienti originali in base ai loro birth kick stimati. Una scoperta significativa è stata che se GW190521 è avvenuto in un ambiente denso, come un Globular Cluster, il buco nero principale avrebbe avuto poche possibilità di essere un buco nero di seconda generazione a meno che non avesse determinate proprietà.

Per ambienti più densi, come la Via Lattea o un Nuclear Star Cluster, diversi scenari hanno mostrato probabilità variate. Ad esempio, se GW190521 fosse stato eccentrico, la probabilità che il buco nero principale si formasse da una fusione di buchi neri di origine stellare diminuiva significativamente.

#Implicazioni per gli ambienti ospitanti

Capire l'ambiente in cui avvengono queste fusioni di buchi neri è essenziale per trarre conclusioni sulla loro formazione. Ogni tipo di ambiente ha la sua velocità di fuga, che può influenzare quanto bene i buchi neri possano rimanere in quello spazio dopo essere stati formati.

Se GW190521 è originato in un Nucleo Galattico Attivo (AGN), le caratteristiche dei buchi neri si allineerebbero con ciò che sappiamo sugli AGN. I buchi neri principali che possono raggiungere determinati rapporti di massa e spin piccoli possono essere indicativi di fusioni in tali ambienti.

In conclusione, l'analisi di GW190521 non solo fornisce intuizioni sull'evento unico in sé, ma anche sulle implicazioni più ampie riguardanti la formazione dei buchi neri e gli ambienti che abitano. Lo studio dei buchi neri e delle loro fusioni continua a evolversi man mano che vengono raccolti più dati, e ogni nuovo evento come GW190521 aggiunge un pezzo prezioso al puzzle del nostro universo.

#Riepilogo

In sintesi, lo studio dei buchi neri in fusione in GW190521 evidenzia le complessità coinvolte nella formazione dei buchi neri e il ruolo vitale dei loro buchi neri antenati. Guardando a diversi scenari di formazione e stimando le velocità dei kick risultanti, i ricercatori possono ottenere un quadro più chiaro di come nascano questi buchi neri e se possono rimanere nei loro ambienti ospitanti.

I risultati sottolineano la necessità di un'osservazione e analisi continua degli eventi delle onde gravitazionali. Man mano che gli scienziati raccolgono più dati e perfezionano i loro modelli, saranno in grado di comprendere meglio la vita di questi oggetti enigmatici e, in ultima analisi, l'evoluzione del nostro universo.