Due buchi neri in orbita trascinano lo spaziotempo: osservata per la prima volta la precessione in un sistema binario

Nel febbraio 2016 gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) annunciarono il primo rilevamento in assoluto di onde gravitazionali. Erano increspature dello spaziotempo previste dalla relatività generale di Einstein, prodotte quando oggetti massicci come buchi neri e stelle di neutroni si fondono. Da allora i rilevamenti si sono moltiplicati, fino a diventare quasi un evento quotidiano, e hanno permesso agli astronomi di studiare alcuni degli oggetti più estremi dell'Universo.

Ora un team internazionale guidato dall'Università di Cardiff ha riesaminato un sistema binario di buchi neri rilevato nel 2020 dagli osservatori LIGO, Virgo e KAGRA. Nelle orbite dei due buchi neri in procinto di fondersi i ricercatori hanno individuato un movimento di torsione, cioè una precessione, circa 10 miliardi di volte più veloce di quella osservata in altri oggetti in precessione. È la prima volta che una precessione viene osservata in buchi neri binari, e conferma un altro fenomeno previsto dalla relatività generale.

I buchi neri binari sono considerati ottimi candidati per la ricerca sulle onde gravitazionali, perché gli astronomi si aspettano che molti di loro siano in precessione. In questi sistemi i due oggetti ruotano l'uno attorno all'altro su orbite sempre più strette, producendo onde gravitazionali sempre più forti fino alla fusione. Eppure, tra gli 84 sistemi di questo tipo rilevati da LIGO e Virgo, finora nessuno aveva offerto una prova definitiva di precessione orbitale. Il team ha notato qualcosa di diverso nell'evento GW200129, registrato il 29 gennaio 2020 durante il terzo ciclo operativo (O3).

Uno dei due buchi neri, di circa 40 masse solari, è considerato quello con la rotazione più veloce mai rilevata attraverso le onde gravitazionali. A differenza di tutte le precedenti osservazioni di buchi neri binari, la sua rotazione rapida incide sullo spaziotempo in modo tanto profondo che l'intero sistema oscilla avanti e indietro. Questa forma di precessione si chiama frame dragging, o effetto Lense-Thirring: le forze gravitazionali sono così intense da trascinare con sé il tessuto stesso dello spaziotempo, creando veri e propri nodi.

Un fenomeno analogo, su scala molto più mite, riguarda Mercurio. La sua orbita attorno al Sole è molto eccentrica, e anche il punto più distante dall'astro si sposta nel tempo, ruotando come una trottola. Nella relatività generale la precessione è di norma un effetto così debole da risultare quasi impercettibile. Le onde gravitazionali sono già estremamente deboli e richiedono lo strumento di misura più sensibile della storia; la precessione è un effetto ancora più tenue, sepolto in un segnale già flebile, e per riconoscerla servono analisi molto precise.

Il confronto con il precedente esempio più noto dà la misura della scoperta. Si trattava di una pulsar binaria che impiegava oltre 75 anni per completare la sua orbita; la coppia GW200129 la completa più volte al secondo, con un effetto 10 miliardi di volte più forte. Anche così, confermare la precessione è stata una sfida significativa. I risultati indicano che, prima della fusione, i buchi neri binari possono sperimentare una precessione orbitale. La rete di rivelatori Advanced LIGO, Virgo e KAGRA, distribuita tra Stati Uniti, Europa e Giappone, è oggi uno dei campi più attivi dell'astronomia.

La rete è in fase di aggiornamento per aumentare la sensibilità e inizierà il quarto ciclo di osservazioni (O4) nel 2023. Si spera che vengano rilevate diverse centinaia di collisioni da aggiungere al catalogo, e che questo permetta di capire se GW200129 sia un caso anomalo o se eventi così estremi siano comuni.