Minuscole increspature del tessuto dello spaziotempo prodotte in qualche remoto angolo del cosmo da catastrofici eventi che coinvolgono oggetti di dimensioni molto grandi, come la fusione di due buchi neri. Sono le onde gravitazionali, previste un secolo fa nella relatività generale di Einstein e rilevate sperimentalmente appena due anni fa dalla collaborazione internazionale LIGO-VIRGO sulla base delle misurazioni del doppio interferometro statunitense LIGO.

“Nature” pubblica ora un articolo a firma di Will Farr dell'Università di Birmingham, nel Regno Unito, e colleghi di una collaborazione internazionale, che rappresenta il primo passo verso un dominio di ricerca scientifica ancora inesplorato: l'astrofisica a onde gravitazionali.

Gli autori hanno utilizzato infatti i dati raccolti da LIGO relativi ai tre eventi del 2015, di cui uno solo probabile, e al quarto del 2017 per formulare alcune ipotesi sull'origine e sull'evoluzione dei buchi neri.

Per capire le conclusioni di Farr e colleghi bisogna partire da alcune nozioni di base. Un buco nero è caratterizzato da due parametri fondamentali: la massa e lo spin, cioè il momento angolare intrinseco, dovuto al moto di rotazione dell'oggetto su se stesso, che rappresenta anche la “firma” del momento angolare del materiale da cui il buco nero si è formato. Ora, esiste un limite massimo allo spin che un buco nero di una certa massa può possedere, poiché la sua superficie non può ruotare più rapidamente della velocità della luce.

Quando poi due buchi neri ruotano uno intorno all’altro in un sistema binario, un ulteriore parametro importante è il loro momento angolare orbitale, a cui è associato un asse di rotazione - l’asse orbitale - che può puntare in qualunque direzione. Se si considera quindi un sistema binario di buchi neri, i due assi di spin e l’asse orbitale possono puntare nella stessa direzione oppure non essere allineati.

Gli astronomi ritengono che le diverse configurazioni siano indicative dell'origine e dell'evoluzione delle coppie di buchi neri, per le quali esistono diverse teorie principali.

Una di queste prevede che i buchi neri si formino in punti vicini, come risultato del collasso di stelle massicce che hanno seguito evoluzioni parallele. In questo caso, gli spin sono relativamente elevati e con assi tendenzialmente allineati tra loro. Se venissero osservati questi spin, si potrebbe concludere che esiste un meccanismo grazie al quale le coppie di buchi neri si possono formare in prossimità l'uno dell'altro.

Un’altra possibilità è che i buchi neri si formino individualmente, in ambienti cosmici densamente popolati di stelle, e che formino un sistema binario solo in seguito, per attrazione gravitazionale. In questo secondo caso, gli spin dei buchi possono essere più o meno intensi, e con una orientazione reciproca qualunque.

Una terza opzione è che i buchi neri si siano formati nell'universo primordiale, e che il plasma estremamente caldo che riempiva lo spazio a quell'epoca in alcune regioni fosse così denso da collassare, formando direttamente un buco nero. Anche in quest'ultimo caso gli spin sarebbero relativamente poco intensi e con direzioni casuali. Infine, quando i due buchi neri si fondono tra loro, le onde gravitazionali che emettono portano la "firma" dei loro spin originari.

All'interno di questo contesto teorico, Farr e colleghi hanno esaminato le quattro probabili rilevazioni di onde gravitazionali ottenute finora grazie a LIGO e hanno analizzato l'allineamento degli spin dei buchi neri responsabili dei segnali.

Entro il limite di accuratezza degli strumenti, i segnali sono risultati compatibili con spin relativamente elevati e allineati lungo direzioni casuali, il che depone a favore dell'ipotesi che i buchi neri abbiano origini individuali e formino sistemi binari in seguito. Dato l'esiguo numero di eventi rilevati, però, non è ancora possibile stabilire se questa sia la regola o invece l'eccezione. Ma gli autori sottolineano che basterà arrivare a una decina di eventi per capire quale possa essere il meccanismo di formazione dominante.

Secondo Stein Sigurosson, astrofisico dell'Università della Pennsylvania, che firma un articolo di commento sullo stesso numero di "Nature", lo studio è importante proprio perché definisce quanti dati occorreranno per testare le teorie di formazione e mostra che il numero di osservazioni richieste potrà essere raggiunto nel prossimo futuro.