Le collaborazioni scientifiche dei rivelatori di onde gravitazionali LIGO negli Stati Uniti, Virgo, cui partecipa l’INFN, in Italia, e KAGRA in Giappone, si apprestano a celebrare il decimo anniversario della scoperta delle onde gravitazionali – che ricorrerà domenica prossima 14 settembre – con un nuovo importante risultato scientifico. Si tratta della verifica sperimentale di un teorema, detto teorema dell’area dei buchi neri, formulato da Stephen Hawking nel 1971, secondo il quale, quando due buchi neri si fondono l’uno con l’altro, la superficie totale del buco nero finale non può diminuire rispetto alla somma delle superfici dei due buchi neri iniziali. Il risultato è presentato in un articolo pubblicato oggi, 10 settembre, su Physical Review Letters.
Quando i buchi neri si fondono, le loro masse si uniscono e contestualmente perdono anche energia sotto forma di onde gravitazionali. Il processo di fusione può anche far sì che il buco nero finale aumenti il suo spin, fatto che porterebbe a ridurre la sua area: quindi, la validità del teorema dell’area del buco nero, secondo cui nonostante questi fattori in competizione la superficie totale del buco nero finale deve comunque crescere, non era scontata, come non lo era la sua verifica sperimentale, che ha richiesto un altissimo livello di sensibilità da parte degli strumenti.
L’evento di fusione che ha generato il segnale gravitazionale chiamato GW250114 grazie al quale è stato verificato il teorema di Hawking è piuttosto simile all’evento che nel 2015 aveva prodotto il segnale GW150914, quello della scoperta delle onde gravitazionali. Entrambi gli eventi coinvolgono, infatti, buchi neri in collisione a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra, con masse da 30 a 40 volte quelle del nostro Sole. Solo che oggi, grazie a dieci anni di progressi tecnologici che hanno consentito di ridurre significativamente il rumore strumentale, il segnale GW250114 è stato registrato così chiaramente da aver permesso di ottenere la migliore prova osservativa del teorema dell’area dei buchi neri di Hawking e da poter essere considerato il segnale più nitido di sempre.
Quello che hanno fatto le ricercatrici e i ricercatori di LIGO, Virgo e KAGRA è stato analizzare le frequenze delle onde gravitazionali emesse dalla fusione: in sostanza, è come se avessero “ascoltato” l’intero processo di fusione dei due buchi neri, riuscendo a misurare con precisione i dettagli della fase detta di ringdown, ossia quando il buco nero finale vibra come una campana colpita. Questo ha permesso di calcolare la massa e lo spin del buco nero finale e di determinarne quindi la superficie. I buchi neri iniziali avevano una superficie totale di 240.000 chilometri quadrati (circa la dimensione del Regno Unito), mentre l’area del buco nero finale era di circa 400.000 chilometri quadrati (quasi la dimensione della Svezia).
Questo è il secondo test del teorema dell’area del buco nero: un primo test era stato eseguito nel 2021 utilizzando proprio i dati del primo segnale GW150914 ma, poiché quei dati non erano così nitidi, i risultati avevano un livello di confidenza del 95%, rispetto al 99,999% dei nuovi dati.
Nello studio pubblicato oggi, per la prima volta vengono anche individuati con sicurezza due distinti modi delle onde gravitazionali nella fase di ringdown. Questi modi sono come i suoni caratteristici di una campana quando viene colpita: hanno frequenze simili ma si estinguono a velocità diverse rendendo difficile la loro identificazione. Grazie alla nitidezza con cui è stato misurato il segnale GW250114, le collaborazioni scientifiche LIGO, Virgo e KAGRA sono riuscite a estrarre per la prima volta i modi delle onde gravitazionali, verificando così che il ringdown del buco nero è avvenuto proprio come previsto dai modelli matematici. Successivamente alla prima formulazione del teorema, Stephen Hawking con il collega Jacob Bekenstein conclusero che l’area di un buco nero è proporzionale alla sua entropia, ossia al suo grado di disordine. Questi lavori hanno aperto la strada a successivi studi nel campo della gravità quantistica, che cerca di conciliare i due pilastri della fisica moderna non ancora unificati: la relatività generale e la fisica quantistica.
Per la prima volta, è stata anche esplicitamente misurata la forma dell’orbita durante la fase di avvicinamento di due buchi neri, confermando che il loro moto è compatibile con un’orbita quasi-circolare, come previsto dalla teoria. Questa analisi innovativa è stata resa possibile grazie a modelli di forma d’onda gravitazionale che descrivono moti ellittici, sviluppati esclusivamente e indipendentemente presso l’Albert Einstein Institute (Potsdam) e dal gruppo Virgo-INFN di Torino. “L’analisi, condotta da Jacob Lange, post-doc nel mio gruppo, è la prima nel suo genere – spiega Alessandro Nagar, ricercatore della Sezione INFN di Torino – e grazie alle tecniche computazionali sviluppate da Jacob, è stato possibile completarla nei tempi strettissimi richiesti”.
Il premio Nobel Kip Thorne, ricordando quando, subito dopo la scoperta delle onde gravitazionali, Hawking gli telefonò per chiedergli se Ligo avrebbe potuto testare il suo teorema dell’area dei buchi neri, commenta che “Se Hawking fosse ancora vivo, sarebbe stato certamente molto felice di vedere che i dati del segnale GW250114 confermano la sua previsione”.
