Ascoltare il “suono” prodotto dai buchi neri immediatamente dopo la loro collisione potrebbe consentire agli scienziati di verificare la teoria della relatività generale nelle condizioni più estreme dell’universo, svelando al contempo i segreti di questi misteriosi oggetti. Durante la fase di ringdown, quella appunto che segue la collisione, il buco nero appena formato emette vibrazioni gravitazionali caratteristiche note come “modi quasi normali”. Misurando queste frequenze, gli scienziati possono determinare la massa del buco nero e la sua velocità di rotazione, oltre a verificare la validità della teoria di Einstein. Ed è proprio della fase di ringdown che si occupa un’imponente review internazionale – guidata dall’Università di Birmingham, dalla Johns Hopkins University e dal Niels Bohr Institute, pubblicata il mese scorso su Classical and Quantum Gravity – nella quale gli autori illustrano come la “spettroscopia dei buchi neri” si stia rapidamente evolvendo da concetto teorico a potente scienza sperimentale.
Fra loro c’è anche Gregorio Carullo. Nato e cresciuto a Vibo Valentia, laurea e dottorato in fisica a Pisa con lunghi periodi all’estero (Usa, Paesi Bassi e Germania), Carullo è dal 2024 assistant professor con tenure track all’Istituto per l’astronomia gravitazionale dell’Università di Birmingham, diretto da Alberto Vecchio. «È un gruppo giovane e dinamico che mi ha accolto a braccia aperte, e di cui sono fiero ed entusiasta», dice a Media Inaf Carullo, al quale la vita in Inghilterra sta dando grandi soddisfazioni, non ultima quella di aver potuto seguire da vicino Arthur Fery nelle semifinali del Birmingham Open appena prima della sua inattesa («ma meritatissima», sottolinea il ricercatore) performance a Wimbledon qualche settimana dopo. «Qui ho trovato un ambiente ottimale non solo per la mia attività scientifica, grazie a un sistema regolare e molto ben organizzato di finanziamenti per la ricerca e di una generale trasparenza delle attività professionali, ma anche accogliente per la mia compagna, violinista barocca, e per il suo sviluppo professionale». Lo abbiamo intervistato.
La vostra è una review ponderosa: oltre duecento pagine interamente dedicate a una porzione di segnale di durata brevissima: il cosiddetto ringdown. È così che chiamate la fase di “smorzamento” delle onde gravitazionali che segue il chirp?
«Esatto, è una fase di smorzamento. Il chirp è dovuto a una binaria di buchi neri che si avvicina sempre di più in conseguenza dell’emissione di onde gravitazionali. L’orbita si stringe, la frequenza orbitale aumenta e di conseguenza la frequenza delle onde gravitazionali fa il chirp. Ma cosa succede quando l’orbita diventa così stretta che i buchi neri “si devono toccare”? Non avendo una superficie, ma un orizzonte degli eventi, quello che succede è che questi buchi neri si fondono in un unico buco nero più grande (in linguaggio tecnico si forma un nuovo orizzonte degli eventi che ingloba gli altri due). Questo buco nero più grande (remnant) all’inizio è molto deformato e lontano dall’equilibrio. Per tornare all’equilibrio, che in questo caso è la soluzione stazionaria rotante di Kerr, inizia a “risuonare” alle frequenze intrinseche dello spaziotempo. Non c’è materia nella descrizione di Einstein di un buco nero: è puro vuoto, anche se ha massa, che risuona alle frequenze caratteristiche dello spaziotempo. Questo processo di risonanza, che si traduce nell’emissione di onde gravitazionali a frequenze discrete, ma smorzate, è il ringdown (il buco nero remnant “vibra” come una campana a cui è stato dato un colpo). Lo smorzamento avviene perché il buco nero ha un orizzonte (quindi parte del segnale viene “persa” dentro il buco nero) e perché la radiazione “scappa” verso lo spazio circostante».
Perché vi interessa solo il ringdown e non il chirp, mai menzionato nel vostro paper?
«Perché il chirp dà informazioni più che altro sull’orbita della binaria. Invece questa parte di segnale ci permette di accedere direttamente alle proprietà intrinseche dello spaziotempo, con poca contaminazione da parte della precisa dinamica orbitale che sta avendo luogo. Ergo si può rispondere a domande di natura più fondamentale, come per esempio: quelli che stiamo osservando, sono davvero buchi neri? Se sono buchi neri, sono descritti dalla soluzione di Kerr, o ci sono altre caratteristiche che ancora non abbiamo trovato? Ancora: la relatività generale riesce a descrivere accuratamente questi segnali, o ci serve una teoria migliore? O addirittura, più speculativo: i buchi neri che osserviamo sono sistemi classici? Oppure ci sono effetti inaspettati dati da correzioni quantistiche? Ciò non toglie che questi siano treasure trove anche per domande più puramente astrofisiche, come quelle sull’evoluzione stellare e binaria».
Quanto dura, in media, il ringdown? E qual è il range di frequenze in gioco?
«Per le binarie osservate da Ligo-Virgo o dal futuro Einstein Telescope, la durata tipica di questo segnale è dell’ordine di 10 ms, dunque molto corto. Per i buchi neri supermassivi che saranno osservati da Lisa, invece, durerà tipicamente per decine di minuti. La frequenza tipica varia anch’essa con la massa: i buchi neri tipici osservati da Ligo-Virgo vibrano circa a 250 Hz, mentre quelli più massicci anche a 50-60 Hz. Purtroppo non riusciamo attualmente a misurare vibrazioni di frequenza ancora più bassa, cosa che sarà permessa da Einstein Telescope grazie al fatto che sarà sotto terra (dove c’è poca interferenza data dal moto sismico della Terra) o dal telescopio spaziale Lisa o, addirittura, da un’antenna gravitazionale sulla Luna».
Spettroscopia dei buchi neri, è il titolo della vostra review. Parlando di radiazione elettromagnetica, la spettroscopia è preziosa soprattutto per ottenere due tipi d’informazioni: quanto è distante – o meglio, a che velocità si sta allontanando o avvicinando – un oggetto celeste e quali elementi e molecole contiene. Se invece la radiazione è gravitazionale, cosa ci può dire, la spettroscopia?
«La cosa più importante è che ci può dire “di cosa è composto un buco nero”. Kerr prevede che nonostante le stelle che lo abbiano formato avessero più di 1057 atomi, questi enormi oggetti siano completamente descritti da soli due parametri: massa e parametro di rotazione. Ma possono i buchi neri avere carica elettrica? Oppure, possono contenere dei misteriosi “monopoli magnetici”? O ancora: possono avere un’impronta di altre particelle elementari che si concentrano vicino a loro? O una “struttura” al posto di un orizzonte? Questo è un range di domande a cui può rispondere la spettroscopia, ovvero fare luce sulla “composizione e struttura” di questi oggetti, e dei cui progressi la review dà un esteso resoconto.
Al tempo stesso, come tutte le buone osservazioni astrofisiche, quando è complementata da soluzioni analitiche e numeriche della binaria, anche la spettroscopia può darci informazioni sulla distanza e su che tipo di orbita abbiano fatto i “genitori” del buco nero che viene formato. Ci possono dire se l’orbita fosse circolare o eccentrica e se la rotazione dei singoli buchi neri della binaria fosse allineata con la rotazione orbitale o meno. Tutte queste informazioni ci aiutano a fare luce sulla vita delle stelle che hanno formato questi buchi neri (dopo il collasso su se stesse) e su come binarie di stelle e buchi neri evolvano. Questo diventa molto importante per capire in che “ambienti” si formano le binarie che vediamo: sono isolate nello spazio profondo, o vivono invece vicino all’affollato centro delle galassie?
È poi importante notare che, per i segnali massivi, Ligo-Virgo non possono osservare il chirp (è fuori banda del rivelatore), dunque l’unica porzione di segnale da cui capire qualcosa sulla binaria è paradossalmente la fase di fusione (merger) e ringdown. Questo è stato il caso, per esempio, con il segnale più misterioso attualmente osservato da Ligo-Virgo, Gw 231123».
E su teorie alternative della gravità, come per esempio le Mond, l’analisi dei ringdown può dare qualche indicazione utile?
«Come accennavo prima, il ringdown può sicuramente rifiutare teorie alternative alla relatività generale, oppure trovare segnali di nuova fisica e nuove teorie. Lo ha già fatto (alcune sezioni della nostra review sono interamente dedicate a questo), escludendo fortemente certi tipi di teorie con correzioni dell’ordine della scala degli orizzonti degli eventi dei buchi neri più grandi, e certi tipi di materia oscura. Questi vincoli osservativi stanno diventando sempre più precisi, soprattutto dopo Gw 250114, quando siamo riusciti ad “ascoltare” più di una singola “nota” di risonanza. E diventeranno straordinariamente più precisi con Einstein Telescope e Lisa, quando potremo ascoltare una mezza dozzina (o anche una decina, se saremo particolarmente fortunati) di note, arricchendo tantissimo lo spettro di indagini che potremo condurre».
Potrà anche dirci, la spettroscopia dei ringdown, se i buchi neri – massa e spin a parte – sono tutti uguali o se c’è qualche proprietà che potrebbe contribuire alla loro varietà?
«Come menzionavo sopra, la spettroscopia è probabilmente la tecnica migliore per rispondere a questa domanda. Oltre agli effetti già menzionati (carica, dark matter, eccetera), ci sono teorie che prevedono l’esistenza di oggetti alternativi ai buchi neri, ma abbastanza compatti da poterli “mimare” con sufficiente accuratezza rispetto alle nostre attuali capacità osservative. Anche qui la spettroscopia può dare molte informazioni sulla plausibilità di queste ipotesi. Al momento nessuno degli effetti legati ad oggetti alternativi è stato osservato, escludendo i casi più estremi. La Natura potrebbe comunque nascondere delle sorprese».
Un problema non indifferente, ampiamente trattato nella vostra review, è il rapporto segnale-rumore dell’attuale campione di ringdown, tutt’altro che ottimale. Gli interferometri di futura generazione dovrebbero consentire un significativo miglioramento. Ne approfitto allora per avere un parere da fisico teorico sulle configurazioni proposte per Einstein Telescope: quale la convince di più, il “triangolo” o la “doppia elle”? Quanto al sito, o ai siti, da scienziato interessato ai futuri dati ha preferenze?
«Difficile essere imparziale avendo compiuto tutti gli studi in Italia fino al dottorato, e avendo osservato da vicino la straordinaria inventiva, capacità tecnica e professionalità delle persone che hanno costruito e operano una delle macchine più precise che l’umanità abbia costruito, Virgo. Quando si valutano questi interferometri bisogna sicuramente ricordare che siamo ancora nelle fasi iniziali di questo nuovo tipo di scienza, e che nei prossimi decenni vedremo sviluppi straordinari. Rimangono molte sfide da superare e molti fattori da comprendere nell’operare questi sistemi così complessi.
Per un’infrastruttura ambiziosa di questo tipo è necessario affidarsi a metriche rigorose sulle caratteristiche dei siti che ospiteranno il rivelatore. Dagli studi che ho letto, il sito di Sos Enattos sembra possedere una serie di caratteristiche quantitativamente ottimali. Detto questo, io mi sento generazionalmente europeo, e auspico un’integrazione fra gli stati sempre maggiore, soprattutto in un’era in cui l’intelligenza artificiale richiede investimenti da migliaia di miliardi di euro per garantire la nostra indipendenza e sicurezza. Vorrei che Einstein Telescope fosse un’infrastruttura europea a tutti gli effetti, diventando un punto di riferimento mondiale alla stregua del Cern per ambizione, capacità di innovazione e cooperazione internazionale, indipendentemente da quali stati lo ospiteranno.
Infine, un punto a cui tengo particolarmente è il seguente: i rivelatori di futura generazione richiederanno di superare sfide enormi non solo dal punto di vista sperimentale, ma anche dell’analisi dei dati e dello sviluppo di nuovi modelli teorici. La spettroscopia di buchi neri è una tecnica particolarmente delicata e complicata, che ha richiesto lo sviluppo di metodi dedicati ed innovativi e di una comprensione teorica della coalescenza mai raggiunta prima. Le nuove tecniche di analisi sviluppate e una serie di nuove “scoperte” teoriche saranno fondamentali per raggiungere il livello di precisione richiesto dai rivelatori futuri».
Per saperne di più:
- Leggi su Classical and Quantum Gravity l’articolo di review “Black hole spectroscopy: from theory to experiment”, di Emanuele Berti, Vitor Cardoso, Gregorio Carullo, et al.
Guarda un’animazione della fusione di due buchi neri: