Onde gravitazionali primordiali distinguibili nel rumore di fondo

Gravitazionalmente parlando, l’universo è un luogo rumoroso. Un miscuglio di onde gravitazionali provenienti da fonti sconosciute si diffonde in modo imprevedibile nello spazio, forse anche dall’universo primordiale.

Onde gravitazionali primordiali

Gli scienziati hanno cercato segni di queste prime onde gravitazionali cosmologiche e un team di fisici ha ora dimostrato che tali onde dovrebbero avere una firma distinta a causa del comportamento dei quark e dei gluoni mentre l’universo si raffredda. Una tale scoperta avrebbe un impatto decisivo su quali modelli descrivano meglio l’universo quasi immediatamente dopo il Big Bang. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

Gli scienziati hanno trovato per la prima volta prove dirette dell’esistenza delle onde gravitazionali, previste dalla teoria della relatività generale di Einstein, nel 2015, utilizzando l’interferometro per onde gravitazionali LIGO. Si tratta di onde singole (anche se di piccola ampiezza) provenienti da una sorgente particolare, come la fusione di due buchi neri, che lambiscono la Terra.

Tali onde fanno sì che i bracci perpendicolari di 4 km degli interferometri cambino la lunghezza di quantità minuscole (ma diverse), la differenza rilevata dai cambiamenti nel modello di interferenza risultante mentre un raggio laser rimbalza avanti e indietro nei bracci del rilevatore.

Esistono anche onde gravitazionali più piccole, così tante da sembrare rumore. Gli scienziati hanno cercato diligentemente in mezzo a questo rumore il fondo stocastico delle onde gravitazionali (stocastico significa determinato casualmente, cioè imprevedibile) ma queste onde gravitazionali più piccole sono più difficili da rilevare e gli scienziati si sono rivolti alle pulsar millisecondo, in cui la distanza dalla Terra a una pulsar distante è la lunghezza effettiva del braccio dell’interferometro.

Pulsar millisecondo

Le pulsar, stelle di neutroni rotanti, inviano fasci di radiazioni, alcuni in una direzione tale che il raggio spazia oltre la Terra, come il raggio di un faro rotante. Le pulsar hanno un periodo di rivoluzione estremamente stabile e qualsiasi misurazione di questo timing viene leggermente alterato dal passaggio di una miriade di onde gravitazionali più piccole che hanno lunghezze d’onda di anni luce.

L’anno scorso la collaborazione NANOgrav ha pubblicato le prove che queste onde gravitazionali stocastiche a bassa frequenza esistono sullo sfondo dello spaziotempo, così come altri gruppi. Ma qual è la loro fonte? Lo sfondo ha origine da fenomeni astrofisici, come la fusione di centinaia di migliaia di buchi neri supermassicci, supernove e simili?

Forse lo sfondo ha avuto origine nell’universo primordiale e da allora le sue onde si sono propagate, in modo simile allo sfondo cosmico a microonde che riempie tutto lo spazio a causa del disaccoppiamento dei fotoni dagli elettroni 380.000 anni dopo il Big Bang. O qualcos’altro?

Distinguere gli scenari comporta affrontare sfide. L’attuale comprensione della fisica dei buchi neri supermassicci non è ancora sufficientemente sviluppata per trarre conclusioni definitive. Inoltre, lo spettro continuo delle onde gravitazionali di fondo dipende dai dettagli microscopici della loro sorgente e richiede simulazioni numeriche dettagliate.

Questo nuovo lavoro fornisce un modo per distinguere le onde primordiali dell’universo da quelle provenienti da altre fonti. La fisica del modello standard – la teoria sulle interazioni forte, debole ed elettromagnetica – dovrebbe lasciare un’impronta distinta sullo sfondo misurato che è indipendente dall’esatto modello dell’universo primordiale scelto.

Il crossover della cromodinamica quantistica (QCD)

Quando l’universo si è raffreddato dal momento iniziale del Big Bang, ha attraversato varie fasi. Tra queste, il momento in cui è avvenuto il disaccoppiamento dei fotoni dopo 380.000 anni, quando l’universo divenne abbastanza freddo da permettere agli elettroni di legarsi ai protoni e formare atomi di idrogeno, lasciando i fotoni improvvisamente alla deriva.

Ma c’è stata una transizione precedente, o crossover, quando quark e gluoni liberi, che avevano formato un plasma di quark e gluoni, si sono coalizzati in singole particelle di due o più quark attaccati insieme come risultato della forza forte, con i gluoni intrappolati con essi.

Si prevede che questo “crossover della cromodinamica quantistica (QCD)” sia avvenuto quando l’universo aveva una temperatura di circa un trilione di Kelvin, circa 10-5 ^secondi dopo il Big Bang. Ciò corrisponde ad un’energia di circa 100 MeV. (La QCD è la teoria della forza forte).

A quanto pare, le frequenze nanohertz sondate dagli array di temporizzazione delle pulsar sono dello stesso ordine delle onde gravitazionali stocastiche a bassa frequenza osservabili sullo sfondo. L’incrocio non crea le onde, ma l’improvviso calo del numero di particelle libere cambia l’equazione che governa lo stato dell’universo.

Le sorgenti di onde gravitazionali prima del crossover QCD producevano un segnale a bassa frequenza che è stato influenzato da questo cambiamento nell’equazione di stato. I ricercatori affermano che il segnale può ora essere cercato nei dati della matrice di temporizzazione della pulsar.

“Riteniamo che una caratterizzazione accurata del fondo delle onde gravitazionali per diverse origini sia un passo cruciale per andare avanti in questa esplorazione“, ha affermato Davide Racco, coautore dell’articolo dell’Institute for Theoretical Physics dell’Università di Stanford.

“Evidenziamo una caratteristica generica e inevitabile per un’ampia gamma di fenomeni primordiali che ci risulta essere un ingrediente utile per discriminare tra diverse fonti di fondo“.

Un risultato del genere rappresenterebbe un impatto sorprendente delle complessità della fisica quantistica sull’universo che vediamo oggi, dimostrando ancora una volta come la fisica delle particelle e la cosmologia si incontrano sullo stesso terreno.