Origini della fusione di buchi neri in galassie come la nostra

I buchi neri di massa stellare sono oggetti celesti nati dal collasso di stelle con masse da poche a poche centinaia di volte quella del nostro sole. Il loro campo gravitazionale è così intenso che né la materia né la radiazione possono eluderli, rendendone estremamente difficile l’individuazione.

Pertanto, quando le minuscole increspature nello spazio-tempo prodotte dalla fusione di due buchi neri sono state rilevate nel 2015 dal Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), è stato salutato come un momento di svolta.

Secondo gli astrofisici, i due buchi neri che si fondevano all’origine del segnale erano circa 30 volte la massa del Sole e si trovavano a 1,5 miliardi di anni luce di distanza.

Teoria del ponte e osservazione

Quali meccanismi producono questi buchi neri? Sono il prodotto dell’evoluzione di due stelle, simili al nostro sole ma significativamente più massicce, che si evolvono all’interno di un sistema binario? O derivano da buchi neri in ammassi stellari densamente popolati che si incontrano per caso? O potrebbe essere coinvolto un meccanismo più esotico? Tutte queste domande sono ancora oggetto di accesi dibattiti oggi.

La collaborazione POSYDON, un team di scienziati di istituzioni tra cui la Northwestern, l’Università di Ginevra (UNIGE) e l’Università della Florida (UF), ha fatto passi da gigante nella simulazione di popolazioni di stelle binarie. Questo lavoro sta aiutando a fornire risposte più accurate e a riconciliare le previsioni teoriche con i dati osservativi.

“Poiché è impossibile osservare direttamente la formazione dei buchi neri binari in fusione, è necessario fare affidamento su simulazioni che riproducano le loro proprietà osservative”, ha affermato Simone Bavera, ricercatore post-dottorato presso il dipartimento di astronomia della Facoltà di Scienze dell’UNIGE e autore principale dello studio.

“Lo facciamo simulando i sistemi stellari binari dalla loro nascita fino alla formazione dei sistemi binari di buchi neri”.

La concezione di un artista mostra due buchi neri che si fondono simili a quelli rilevati da LIGO. Credito: Aurore Simonnet/LIGO-Caltech-MIT-Stato di Sonoma

Superare i limiti della simulazione

Interpretare le origini della fusione di buchi neri binari, come quella osservata nel 2015, richiede di confrontare le previsioni del modello teorico con le osservazioni reali. La tecnica utilizzata per modellare questi sistemi è nota come “sintesi binaria della popolazione”.

“Questa tecnica simula l’evoluzione di decine di milioni di sistemi stellari binari al fine di stimare le proprietà statistiche della risultante popolazione sorgente di onde gravitazionali”, ha affermato Anastasios Fragkos, assistente professore nel dipartimento di astronomia presso la Facoltà di Scienze dell’UNIGE.

“Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo in un lasso di tempo ragionevole, i ricercatori si sono finora affidati a modelli che utilizzano metodi approssimati per simulare l’evoluzione delle stelle e le loro interazioni binarie”, ha affermato. “Quindi, l’eccessiva semplificazione della fisica stellare singola e binaria porta a previsioni meno accurate”.

POSYDON ha superato questi limiti. Progettato come software open source, sfrutta un’ampia libreria precalcolata di simulazioni dettagliate di stelle singole e binarie per prevedere l’evoluzione di sistemi binari isolati.

Ciascuna di queste simulazioni dettagliate potrebbe richiedere fino a 100 ore di unità di elaborazione centrale (CPU) per essere eseguita su un supercomputer, rendendo questa tecnica di simulazione non direttamente applicabile per la sintesi binaria della popolazione.

“Tuttavia, precalcolando una libreria di simulazioni che copre l’intero spazio dei parametri delle condizioni iniziali, POSYDON può utilizzare questo ampio set di dati insieme a metodi di apprendimento automatico per prevedere l’evoluzione completa dei sistemi binari in meno di un secondo”, ha affermato Jeffrey Andrews, assistente professore nel dipartimento di fisica dell’UF.

“Questa velocità è paragonabile a quella dei codici di sintesi rapida della popolazione della generazione precedente, ma con una precisione migliorata”.

Presentazione di un nuovo modello

POSIDONEun importante progetto di sviluppo del codice, sta per P.Opopolazione SIntesi con Dsimulati dettagliati di evoluzione binariaSUS. Kalogera e Tassos Fragos, un ex dottorato di ricerca. studenti del gruppo di Kalogera, sono co-principali ricercatori del progetto, iniziato alla Northwestern nel 2019 con il sostegno della Gordon and Betty Moore Foundation e della Swiss National Science Foundation.

Fragos, ora all’Università di Ginevra, è coautore dello studio. L’Università della Florida ha aderito alla collaborazione quest’anno.

I modelli precedenti sovrastimavano alcuni aspetti, come l’espansione delle stelle massicce, che influisce sulla loro perdita di massa e sulle interazioni binarie. Questi elementi sono gli ingredienti chiave che determinano le proprietà della fusione dei buchi neri.

Grazie a simulazioni dettagliate della struttura stellare e dell’interazione binaria completamente autoconsistenti, POSYDON ottiene previsioni più accurate sulla fusione delle proprietà dei buchi neri binari come le loro masse e gli spin.

Il team di ricerca sta attualmente sviluppando una nuova versione di POSYDON, che includerà una libreria più ampia di simulazioni stellari e binarie dettagliate, in grado di simulare le binarie in una gamma più ampia di tipi di galassie.

Fonte: Università nordoccidentale