Una ricerca durata 15 anni ha rivelato la prima prova un “fondo di onde gravitazionali” cosmico emesso da antichi buchi neri in collisione.
Il 29 giugno, cinque gruppi indipendenti di radioastronomi hanno pubblicato una serie di documenti che presentano prove che l’universo è pieno di onde gravitazionali create dalla collisione di buchi neri supermassicci.
Un team internazionale ha monitorato stelle morte in rapida rotazione, note come pulsar, per raccogliere informazioni sulle onde gravitazionali.
“I risultati presentati oggi segnano l’inizio di un nuovo viaggio nell’Universo per svelare alcuni dei suoi misteri irrisolti”, ha affermato Michael Keith, docente di astrofisica presso il Jodrell Bank Centre for Astrophysics dell’Università di Manchester e membro dell’European Pulsar Timing Array (EPTA).
Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo che viaggiano attraverso l’universo alla velocità della luce. Sebbene Albert Einstein avesse predetto la loro esistenza nel 1916, ci è voluto quasi un secolo prima che le vibrazioni spazio-temporali fossero rilevate sulla Terra dalla collaborazione del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nel 2015.
Le onde gravitazionali fanno allungare e comprimere lo spazio. Misurando attentamente come gli oggetti nello spazio cambiano le loro posizioni l’uno rispetto all’altro, gli scienziati possono dedurre il passaggio di un’onda gravitazionale. LIGO ha monitorato il modo in cui la lunghezza dei tunnel lunghi 2,5 miglia (4 chilometri) è cambiata di meno di un millesimo della dimensione di un protone. Grazie a questa impresa ingegneristica, i ricercatori nel 2015 hanno rilevato onde gravitazionali prodotte da buchi neri che sono decine di volte più massicci del Sole.
Ma per rilevare il rombo a bassa frequenza delle onde gravitazionali prodotte da buchi neri supermassicci miliardi di volte più massicci del Sole è necessario un rivelatore molto più grande delle dimensioni della Terra.
Un rilevatore di onde gravitazionali su scala galattica
Gli astronomi misurano come cambia la distanza tra la Terra e le pulsar nella Via Lattea a causa delle onde gravitazionali che viaggiano attraverso la nostra galassia. Questo è noto come matrice di temporizzazione pulsar.
Le pulsar sono i resti delle esplosioni di supernova: stelle morenti che collassano in stelle di neutroni altamente magnetizzate e in rapida rotazione che emettono continuamente fasci di radiazione elettromagnetica. I raggi possono attraversare lo spazio diverse centinaia di volte al secondo. Quando alcuni di loro puntano verso la Terra, appaiono come impulsi radio molto regolari.
“Le pulsar sono eccellenti orologi naturali”, ha affermato David Champion, uno scienziato del Max Planck Institute for Radio Astronomy e dell’EPTA. “Usiamo l’incredibile regolarità dei loro segnali per cercare piccoli cambiamenti nel loro ticchettio per rilevare il sottile allungamento e la compressione dello spazio-tempo”.
L’astronomo britannico Jocelyn Bell Burnell osservò la prima pulsar nel 1967. Negli ultimi 15 anni, i radioastronomi dei diversi Paesi hanno monitorato attentamente gli impulsi di un totale di circa 100 pulsar in rapida rotazione.
“Le pulsar sono in realtà sorgenti radio molto deboli, quindi abbiamo bisogno di migliaia di ore all’anno sui più grandi telescopi del mondo per eseguire questo esperimento”, ha detto Maura McLaughlin, professoressa di fisica e astronomia alla West Virginia University e al North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav).
Invece di rilevare singole onde gravitazionali che attraversano la Via Lattea, i cinque diversi team studiano l’intero sfondo delle onde gravitazionali a bassa frequenza che riempiono il cosmo. Le lente oscillazioni nelle distanze tra le pulsar e la Terra sono estremamente minuscole — dell’ordine di una parte su un miliardo di milioni — e gli astronomi devono modellare attentamente tutte le possibili fonti di rumore che compaiono anche nelle loro osservazioni, incluse nubi di gas e polvere attraversate dagli impulsi radio, il movimento della Terra nello spazio, così come lo spostamento dei telescopi dovuto al movimento dei continenti su cui si trovano.
La caccia cosmica durata 15 anni ha finalmente rivelato i primi indizi del segnale deelle onde gravitazionale probabilmente creato dai buchi neri supermassicci. “Quando ho visto emergere il modello delle onde gravitazionali, ho avuto le farfalle”, ha dichiarato Stephen Taylor della Vanderbilt University e presidente della collaborazione NANOGrav in una conferenza stampa.
Un’origine supermassiccia?
Sebbene il segnale non raggiunga ancora lo standard aureo per il rilevamento stabilito dalla comunità scientifica, gli astronomi sono fiduciosi che il loro risultato fornisca “prove convincenti” per un fondo di onde gravitazionali probabilmente prodotto da coppie di giganteschi buchi neri.
La maggior parte delle galassie ha un gigantesco buco nero al centro (come il Sagittarius A* della Via Lattea e il lontano M87* ripreso di recente dall’Event Horizon Telescope). Questi mostri cosmici hanno una massa che va da poche centinaia di migliaia di volte la massa del Sole a incredibili decine di miliardi di volte quella del Sole. Quando le galassie si scontrano, i loro giganteschi buchi neri possono avvicinarsi l’uno all’altro. Mentre girano l’uno intorno all’altro in un valzer cosmico lento ma incessante, emettono onde gravitazionali a bassa frequenza che gli astronomi stanno cercando.
“Ora abbiamo trovato finalmente una forte evidenza che molte di queste binarie estremamente massicce e vicine esistono. Una volta che i due buchi neri si saranno avvicinati abbastanza da essere visti dagli array di temporizzazione delle pulsar, nulla potrà impedire loro di fondersi entro pochi milioni di anni”, ha dichiarato Luke Kelley, assistente professore di astronomia presso l’Università della California, Berkeley, e presidente del gruppo di astrofisica di NANOGrav.
Anche gli intensi processi fisici avvenuti dopo il Big Bang potrebbero contribuire allo sfondo delle onde gravitazionali. Man mano che i team combinano i loro set di dati e continuano le loro osservazioni, indagheranno dettagliatamente sia le proprietà delle gigantesche coppie di buchi neri che forse anche la fisica esotica nell’universo primordiale.
“I nostri dati combinati saranno molto più potenti”, ha affermato Taylor. “Siamo entusiasti di scoprire quali segreti riveleranno sul nostro Universo”, ha concluso.
Fonte: EPTA
