Ciao, le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due buchi neri registrano la fusione tra i due orizzonti degli eventi o proprio la fusione tra i due corpi celesti? Mi chiedo, infatti, come sia possibile ottenere informazioni di ciò che accade all'interno degli orizzonti degli eventi. Anche le onde gravitazionali, come la luce, non dovrebbero riuscire a uscire dal bordo. Rispetto ai loro orizzonti, inoltre, i buchi neri dovrebbero essere molto piccoli e quindi dopo la fusione dei due orizzonti potrebbero anche continuare a ruotare entrambi intorno al loro centro di massa, prima di fondersi in un unico buco nero, senza che osservatori esterni possano accorgersene. (Sergio R.)
Le onde gravitazionali emesse indicano proprio la fusione fra i due oggetti celesti, anche se nel caso dei buchi neri - come si osserva nella domanda posta - si tratta di oggetti particolari, con una “singolarità” (raggio nullo, densità infinita, forze mareali gravitazionali infinite) e un “orizzonte”, che ne definisce il raggio gravitazionale, la cui estensione è proporzionale alla massa e che non consente nessuna comunicazione fra il suo interno e l'esterno.
Per comprenderne il motivo, bisogna intanto osservare che, mentre le onde elettromagnetiche – e dunque la luce – sono onde che viaggiano nello spazio-tempo, le onde gravitazionali sono le stesse perturbazioni dello spazio-tempo che si propagano dalla sorgente, mantenendo l'informazione sulla dinamica del fenomeno che le ha prodotte e consentendo pertanto di raccogliere informazioni dettagliate sulla sorgente.
In questo caso, le perturbazioni vengono dapprima prodotte dal moto orbitale dei due buchi neri che, perdendo energia per emissione gravitazionale, si avvicinano progressivamente, fino a quando non raggiungono una distanza prossima alla somma dei loro rispettivi orizzonti, distanza alla quale inizia la fase di fusione. I due buchi neri si fondono fino a formarne un terzo che avrà massa pari alla somma delle loro masse alla quale è stata però sottratta la massa corrispondente alla energia emessa in onde gravitazionali. Il buco nero finale oscillerà fino a raggiungere l'equilibrio, momento nel quale la generazione di onde gravitazionali si interromperà.
La traccia di tutto questo è contenuta in modo molto preciso e inconfondibile negli andamenti tempo-frequenza-ampiezza del segnale gravitazionale osservato.
L'aumento della frequenza e dell'ampiezza di questo sono l'indicazione che le masse che costituiscono il sistema oscillano e anche che questa oscillazione aumenta senza che intervenga alcun meccanismo di smorzamento (a parte l'emissione stessa delle onde gravitazionali) fino alla fase di fusione. L' evoluzione di frequenza e ampiezza danno informazioni che consentono ad esempio di determinare i valori della massa totale del sistema prima della fusione, delle masse dei due buchi neri iniziali ma anche di quello finale.
La frequenza al momento del picco, ossia laddove l'ampiezza del segnale ha il suo valore massimo, indica anche la distanza (il diametro dell'orbita) alla quale i due oggetti sono arrivati nell'istante in cui hanno iniziato a fondersi, dando così una informazione legata al raggio dei loro orizzonti (notiamo che già con questa sola informazione si può in certi casi riuscire a capire se gli oggetti sono tanto compatti da essere necessariamente due buchi neri). A distanze inferiori i due oggetti devono iniziare a fondersi in uno: infatti la dinamica è dominata da effetti di “campo forte”, non sono più possibili orbite circolari o quasi circolari e i due corpi cadono ciascuno verso l'altro.
A parte i tanti studi e le motivazioni teoriche che, ben prima del 2015, hanno portare a capire i dettagli della dinamica di questo fenomeno con altissima precisione, possiamo aggiungere anche che, qualora i due buchi neri avessero continuato a ruotare ciascuno attorno al proprio centro di massa, anche dopo aver raggiunto una distanza prossima alla somma dei loro orizzonti, avremmo dovuto osservare segnature molto diverse nell'andamento di frequenza e anche di ampiezza del segnale.
In conclusione: il segnale gravitazionale non attraversa l'orizzonte degli eventi, ma le sue caratteristiche danno in modo inconfondibile informazioni sulla dinamica del processo di fusione e anche sulle caratteristiche sia degli oggetti di partenza sia di quello prodotto alla fine. Le osservazioni hanno confermato le previsioni teoriche, compresa la fusione dei due oggetti.
Pia Astone, fisica