Due team indipendenti hanno dimostrato che le onde gravitazionali emanate dai resti distorti delle fusioni di buchi neri dovrebbero interagire tra loro. Includendo questi effetti non lineari nei loro modelli, un team, guidato da Keefe Mitmann al Caltech, hanno scoperto di poter replicare i segnali delle onde gravitazionali da buchi neri "suonanti" simulati fino a 100 volte più accuratamente rispetto agli approcci precedenti. L'altra squadra è arrivata a una conclusione simile ed è stata guidata da Mark Ho-Yeuk Cheung alla Johns Hopkins University
Dopo la violenta ed energica fusione di due buchi neri, il buco nero distorto che si crea deve rapidamente stabilizzarsi in uno stato di equilibrio. Per raggiungere questo stato stazionario, l'oggetto rilascia enormi quantità di energia sotto forma di onde gravitazionali (GW), in un processo chiamato black hole ringdown.
Nel 1973, una squadra guidata da Saulo Teukolsky è stato il primo a modellare i GW dal ringdown - più di 40 anni prima dei primi GW dalla fusione dei buchi neri sono stati rilevati dall'osservatorio LIGO. Eppure, all'epoca, Teukolsky e colleghi consideravano solo piccole distorsioni nei buchi neri residui, qualcosa che ora sappiamo non è una buona descrizione di ciò che accade dopo una fusione.
Grandi distorsioni
"Poiché le fusioni dei buchi neri sono così violente, le distorsioni del buco nero finale sono spesso grandi", spiega Mitman. "Ciò significa che dovremmo aspettarci effetti non lineari [come] effetti dal GW che interagisce con se stesso mentre si propaga attraverso lo spaziotempo vicino al buco nero, generando nuove onde".
Nonostante ciò, gli astrofisici hanno finora sostenuto l'idea che gli effetti non lineari debbano essere troppo piccoli per manifestarsi nei segnali GW osservabili. Di conseguenza, hanno ancora considerato solo gli effetti lineari calcolati dal team di Teukolsky.
In un nuovo studio, Mitman, Teukolsky e colleghi hanno utilizzato un approccio più avanzato per modellare i ringdown dei buchi neri. Seguendo un suggerimento di un membro del team Macarena Lagos alla Columbia University, il team ha sviluppato un nuovo modo di considerare come un modello potrebbe descrivere l'autointerazione dei GW emessi dopo le fusioni di buchi neri.
Lagos spiega: “Abbiamo migliorato il modello GW includendo le interazioni non lineari della gravità. Abbiamo preso in considerazione varie simulazioni numeriche di fusioni di buchi neri, contenenti interazioni sia lineari che non lineari. Abbiamo quindi quantificato quanto bene il nostro modello non lineare riproduceva le simulazioni».
Modello più preciso
Proprio come previsto, il nuovo approccio del team ha permesso loro di replicare segnali GW realistici molto più fedelmente di prima. "Includendo questo termine non lineare, piuttosto che i termini lineari più familiari che Teukolsky ha contribuito a scoprire, possiamo modellare in modo molto più preciso i GW creati nelle nostre simulazioni numeriche", continua Mitman. "Ciò significa che quando i buchi neri risuonano fino a uno stato stazionario, quel risuonare è un processo non lineare".
Analizzando varie simulazioni di fusioni di buchi neri, i ricercatori hanno scoperto che gli effetti non lineari possono rappresentare fino al 10% dei segnali GW, rendendoli molto più influenti di quanto ipotizzato da studi precedenti. Complessivamente, ciò significava che il team poteva modellare i ringdown dei buchi neri circa 100 volte più accurati rispetto agli approcci puramente lineari.
È necessaria cautela quando si verifica la relatività generale di Einstein utilizzando le onde gravitazionali
Il team guidato da Cheung è giunto a conclusioni simili e insieme i risultati potrebbero avere importanti implicazioni per la capacità degli astronomi di sondare le strutture interne dei buchi neri dai segnali GW che emettono durante i ringdown. «Per estrarre informazioni fisiche dai segnali GW, abbiamo bisogno di modelli analitici molto accurati che colleghino le proprietà dei buchi neri alle caratteristiche del segnale rilevato», spiega Lagos. «I nostri risultati indicano che gli effetti non lineari sono effettivamente importanti e sarà necessario includerli nei futuri rilevamenti GW».
Con una migliore comprensione del fatto che il ringdown è di natura non lineare, il team spera che le loro scoperte possano presto aiutare gli astronomi a spiegare meglio i comportamenti enigmatici dei buchi neri.
Forse la cosa più importante è che potrebbero anche consentire ai ricercatori di testare la teoria della relatività generale di Albert Einstein, che governa la dinamica dei buchi neri, negli ambienti più estremi noti all'astrofisica. Con la precisione offerta dai modelli del team, questi test potrebbero finalmente rivelarsi abbastanza rigorosi da spingere la teoria di Einstein ai suoi limiti, il che potrebbe consentire l'emergere di una fisica nuova ed entusiasmante. Tuttavia, gli astrofisici dovranno aspettare fino a quando la prossima generazione di osservatori GW non sarà online perché le attuali strutture LIGO-Virgo non dovrebbero essere in grado di rilevare effetti non lineari.
La ricerca è descritta in Lettere di revisione della fisica.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/gravitational-waves-from-merging-black-holes-go-nonlinear/
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