Nel 2015, gli scienziati hanno rilevato per la prima volta le onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo che si verificano quando i principali eventi cosmici, come la collisione e la fusione di due buchi neri, sconvolgono il cosmo.
L’osservazione di queste onde confermò la teoria della relatività generale di Einstein, che prevedeva che tali onde si sarebbero verificate se lo spazio-tempo avesse funzionato come credeva. Nei sette anni successivi, sono stati rilevati quasi 100 buchi neri in fusione osservando le onde gravitazionali emesse da questi eventi extraterrestri.
Ora, grazie a una nuova ricerca di un team di 14 persone guidato dallo studente di dottorato del Caltech e allume del Columbia College Keefe Mitman (CC’19), dal postdoc della Columbia Macarena Lagos, dal professore della Columbia Lam Hui e dal professore dell’Università del Mississippi Leo Stein, la capacità di modellare questi eventi cosmici sono diventati più sofisticati.
Il modello migliorato che hanno sviluppato apre la strada a una comprensione più profonda della struttura della fusione dei buchi neri.
In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, il team ha delineato un modo più complesso per modellare il segnale emesso dalle onde gravitazionali includendo interazioni non lineari nei modelli. Questo metodo di modellazione consentirà agli scienziati di comprendere meglio la struttura di ciò che sta accadendo all’interno dei buchi neri e aiuterà anche a verificare se la teoria della relatività generale di Einstein descrive correttamente il comportamento della gravità in ambienti astrofisici estremi.
“Questo è un grande passo per prepararci alla prossima fase del rilevamento delle onde gravitazionali, che approfondirà la nostra comprensione della gravità e di questi incredibili fenomeni che si verificano nelle profondità del cosmo”, ha dichiarato Lagos, coautore dell’articolo.
La ricerca arriva in un momento opportuno: questo marzo, LIGO, l’osservatorio che per primo ha rilevato le onde gravitazionali, sarà alimentato per raccogliere nuove osservazioni di eventi che si svolgono nelle profondità dello spazio. L’osservatorio non funziona dal 2020, quando è stato chiuso a causa della pandemia. Si prevede che molti altri importanti rilevatori inizieranno a raccogliere dati nei prossimi anni, il che rende ancora più importante disporre di modelli sofisticati per interpretare le informazioni in arrivo.
Il coautore Lam Hui ha usato un’analogia per descrivere le informazioni che le onde gravitazionali possono fornire: “Se ti do una scatola e ti chiedo cosa c’è dentro, la cosa naturale da fare è scuoterla. Questo ti direbbe se all’interno della scatola ci sono caramelle o monete. Questo è quello che stiamo cercando di fare con questi modelli, ovvero raccogliere un’idea del contenuto interno di un buco nero ascoltando il suono che viene emesso quando viene scosso”.
Lo “scuotimento” nel caso dei buchi neri è la rottura che si verifica quando due si scontrano e si fondono. “Ascoltando i suoni che emette, possiamo valutare la struttura spazio-temporale del buco nero”, ha aggiunto.
I modelli delle onde gravitazionali emesse dopo la fusione di due buchi neri fino ad oggi hanno incluso solo interazioni lineari, che funzionano bene, fornendo preziose informazioni sulla struttura e sui contenuti dei buchi neri. Questo nuovo modello, tuttavia, potrebbe offrire un miglioramento fino al 10% nell’accuratezza complessiva dei modelli di un buco nero, affermano gli autori dell’articolo.
Per comprendere l’importanza dell’uso della non linearità per descrivere le onde gravitazionali, gli autori hanno descritto le onde in un oceano: un’onda che sale e scende senza sputare acqua nell’aria potrebbe essere descritta con un’equazione lineare. Ma un’onda che cresta e si infrange mostra interazioni non lineari: mentre parte dell’acqua si gonfia sul fondo dell’onda, altra acqua si schianta simultaneamente a sinistra, a destra, in alto e in basso in viticci e goccioline d’acqua sopra di essa.
Un modello non lineare dell’onda ti permetterebbe di capire come e quando tutta l’acqua nell’onda, comprese quelle goccioline trasportate dall’aria, si sta muovendo. Le onde gravitazionali sono simili alle onde d’acqua e il nuovo modello è in grado di spiegare l’equivalente extraterrestre di gocce d’acqua extra.
“Ci stiamo preparando per quando diventeremo investigatori di onde gravitazionali, quando scaveremo più a fondo per capire tutto ciò che possiamo sulla loro natura”, ha concluso Stein, uno degli autori del documento.
Fonte: Physical Review Letters
