Astrofisici scoprono la connessione tra buco nero supermassiccio/materia oscura nella soluzione del 'problema finale del parsec'

22 Luglio 2024

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da Università di Toronto

I ricercatori hanno trovato un collegamento tra alcuni degli oggetti più grandi e più piccoli del cosmo: buchi neri supermassicci e particelle di materia oscura.

Le loro nuove calcolazioni rivelano che le coppie di buchi neri supermassicci (SMBHs) possono fondersi in un unico buco nero più grande a causa di comportamenti precedentemente trascurati delle particelle di materia oscura, proponendo così una soluzione al lungo 'problema dell'ultimo parsec' in astronomia.

La ricerca è descritta in 'La materia oscura che interagisce con se stessa risolve il problema dell'ultimo parsec delle fusioni di buchi neri supermassicci,' pubblicata questo mese sulla rivista Physical Review Letters.

Nel 2023, gli astrofisici hanno annunciato il rilevamento di un 'ronzio' di onde gravitazionali che permea l'universo. Hanno ipotizzato che questo segnale di fondo provenisse da milioni di coppie di SMBHs che si fondono, ognuna miliardi di volte più massicce del nostro sole.

Tuttavia, le simulazioni teoriche hanno mostrato che quando le coppie di questi mammut celesti si avvicinano sempre di più, il loro avvicinamento si interrompe quando sono a circa un parsec di distanza—una distanza di circa tre anni luce—impedendo così una fusione.

Non solo questo 'problema dell'ultimo parsec' era in contrasto con la teoria che i SMBHs in fusione fossero la fonte del segnale di onde gravitazionali di fondo, ma era anche in contrasto con la teoria che i SMBH crescono dalla fusione di buchi neri meno massicci.

'Dimostriamo che includere l'effetto precedentemente trascurato della materia oscura può aiutare i buchi neri supermassicci a superare questo ultimo parsec di separazione e fondersi,' dice Gonzalo Alonso-Álvarez, co-autore del paper, assegnista post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Toronto e presso il Dipartimento di Fisica e l'Istituto di Spazio Trottier presso la McGill University. 'Le nostre calcolazioni spiegano come ciò possa accadere, in contrasto con quanto si pensava in precedenza.'

Gli altri co-autori del paper includono il Professore James Cline della McGill University e del Dipartimento di Fisica Teorica del CERN in Svizzera e Caitlyn Dewar, studentessa magistrale in fisica alla McGill.

Si ritiene che i SMBH si trovino al centro della maggior parte delle galassie e quando due galassie collidono, i SMBH entrano in orbita uno attorno all'altro. Mentre ruotano uno intorno all'altro, l'attrazione gravitazionale delle stelle vicine li tira e li rallenta. Di conseguenza, i SMBH spiraleggiano verso un'eventuale fusione.

I modelli di fusione precedenti hanno mostrato che quando i SMBH si avvicinavano a circa un parsec, iniziavano ad interagire con la nube o alone di materia oscura in cui erano incorporati. Si pensava che la gravità dei SMBH in spirale allontanasse le particelle di materia oscura dal sistema e la conseguente rarità di materia oscura significasse che l'energia non veniva prelevata dalla coppia e le loro orbite reciproche non si restringevano più.

Mentre quei modelli ignoravano l'impatto della materia oscura sulle orbite dei SMBH, il nuovo modello di Alonso-Álvarez e dei suoi colleghi rivela che le particelle di materia oscura interagiscono tra di loro in modo tale da non disperdersi. La densità dell'alone di materia oscura rimane abbastanza alta affinché le interazioni tra le particelle e i SMBH continuino a degradare le orbite dei SMBH, aprendo la strada alla fusione.

'La possibilità che le particelle di materia oscura interagiscano tra di loro è un'ipotesi che abbiamo fatto, un ingrediente extra che non tutti i modelli di materia oscura contengono,' dice Alonso-Álvarez. 'Il nostro argomento è che solo i modelli con quel tipo di elementi possono risolvere il problema dell'ultimo parsec.'

Il ronzio di fondo generato da queste collisioni cosmiche colossali è composto da onde gravitazionali di lunghezza d'onda molto maggiore rispetto a quelle rilevate per la prima volta nel 2015 dagli astrofisici che operavano l'Osservatorio di Onde Gravitazionali ad Interferometro Laser (LIGO). Quelle onde gravitazionali sono state generate dalla fusione di due buchi neri, entrambi circa 30 volte la massa del sole.

Il ronzio di fondo è stato rilevato negli ultimi anni dagli scienziati che operano l'Array di Sincronizzazione di Pulsar. L'array rileva le onde gravitazionali misurando piccole variazioni nei segnali dei pulsar, stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono forti impulsi radio.

'Una previsione della nostra proposta è che lo spettro delle onde gravitazionali osservate dagli array di sincronizzazione di pulsar dovrebbe essere attenuato a basse frequenze,' afferma Cline. 'I dati attuali suggeriscono già questo comportamento, e i nuovi dati potrebbero confermarlo nei prossimi anni.'

Oltre a fornire informazioni sulle fusioni di SBMH e sul segnale di fondo delle onde gravitazionali, il nuovo risultato fornisce anche uno sguardo sulla natura della materia oscura.