A caccia delle onde gravitazionali primordiali

Subito dopo il Big Bang le onde gravitazionali iniziarono a scuotere la struttura dell’universo.
Prodotte dalla zuppa ribollente di materia nata dalle fluttuazioni quantistiche, le onde gravitazionali hanno increspato la struttura spaziotemporale amplificate dal processo di espansione inflazionistica che ha gonfiato a dismisura l’universo.
Le onde gravitazionali primordiali, prodotte quasi 13,8 miliardi di anni fa, scuotono debolmente ancora oggi l’universo. Non sarà facile rilevarle in quanto sono soffocate da onde gravitazionali prodotte da eventi più recenti, come le collisioni di buchi neri e stelle di neutroni.
Per raccogliere i deboli segnali delle onde gravitazionali primordiali, un team di ricercatori del MIT ha sviluppato una nuova tecnica. I risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters .
Le onde gravitazionali vengono rilevate quasi quotidianamente da diversi rilevatori come il LIGO, ma i segnali delle onde gravitazionali primordiali sono molto più deboli di quelle che vengono registrate attualmente. Si prevede che la prossima generazione di rilevatori disporrà della sensibilità necessaria da rilevarle
Nel prossimo decennio, con l’arrivo di strumenti più sensibili, il nuovo metodo potrebbe essere applicato per scovare i deboli segnali delle prime onde gravitazionali emesse dall’universo neonato. Il modello e le proprietà di queste onde primordiali potrebbero quindi rivelare indizi sull’universo neonato, come le condizioni che hanno regolato l’inflazione.
“Se la forza del segnale primordiale è all’interno della gamma di ciò che i rilevatori di nuova generazione potranno rilevare, potremo utilizzare il nuovo metodo che abbiamo sviluppato“, afferma Sylvia Biscoveanu, studentessa laureata presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. “Le onde gravitazionali primordiali possono raccontarci processi nell’universo neonato che sarebbero altrimenti impossibili da sondare”.
Gli atltri coautori della ricerca sono Colm Talbot del Caltech, Eric Thrane e Rory Smith della Monash University.
La caccia alle onde gravitazionali primordiali si è concentrata principalmente sul fondo cosmico a microonde , o CMB, che si pensa sia la radiazione fossile del Big Bang. Oggi questa radiazione permea l’universo ed è visibile nella banda delle microonde dello spettro elettromagnetico. Gli scienziati ritengono che quando le onde gravitazionali primordiali si sono formate, hanno lasciato un’impronta sulla CMB, sotto forma di “modalità B“, un tipo di modello di polarizzazione sottile.
I fisici hanno cercato i segni della “modalità B” con il BICEP Array, una serie di esperimenti tra cui BICEP2, che nel 2014 ha fatto pensare agli scienziati di averla rilevata le. In seguito, il segnale si è rivelato essere causato alla polvere galattica.
Mentre gli scienziati continuano a cercare le onde gravitazionali primordiali nella CMB, altri le stanno cercando nei dati delle onde gravitazionali. L’idea è quella di provare a sottrarre il “primo piano astrofisico“, cioè tutte le onde gravitazionali emesse da sorgenti astrofisiche, come buchi neri in collisione, stelle di neutroni e supernove. Solo dopo aver sottratto il primo piano astrofisico i fisici possono ottenere una stima dei deboli segnali non astrofisici che possono contenere onde gravitazionali primordiali.
Il problema con questi metodi, spiega la Biscoveanu, è che il primo piano astrofisico contiene segnali più deboli, provenienti ad esempio da fusioni distanti, troppo deboli da interpretare e difficili da stimare nella sottrazione finale.
“L’analogia che mi piace fare è che, se sei a un concerto rock, lo sfondo primordiale è come il ronzio delle luci sul palco e il primo piano astrofisico sono tutte le conversazioni di tutte le persone intorno a te”, spiega la Biscoveanu che ha aggiunto: “Puoi sottrarre le conversazioni individuali fino a una certa distanza, ma non quelle che sono molto lontane o troppo deboli, ma non puoi distinguerle. Quando vai a misurare il volume delle luci, otterrai questa contaminazione da queste conversazioni extra di cui non puoi sbarazzarti perché non puoi davvero tirarle fuori”.
L’approccio utilizzato dai ricercatori si basa su un modello che descrive le “conversazioni” più ovvie del primo piano astrofisico. Il metodo prevede il modello dei segnali delle onde gravitazionali che sarebbero prodotte dalla fusione di oggetti astrofisici di diverse masse e spin. Il team ha utilizzato questo modello per creare simulazioni dei modelli di onde gravitazionali provenienti dai fonti astrofisiche sia forti che deboli come la fusione di buchi neri.
Il team ha quindi cercato di caratterizzare ogni segnale astrofisico presente nei dati simulati, ad esempio per identificare le masse e gli spin dei buchi neri binari. In questo modo i parametri sono più facili da identificare per i segnali più forti e solo debolmente vincolati per i segnali più deboli. Mentre i metodi precedenti utilizzano solo una “ipotesi migliore” per i parametri di ciascun segnale al fine di sottrarlo ai dati, il nuovo metodo tiene conto dell’incertezza in ciascuna caratterizzazione del modello ed è quindi in grado di discernere la presenza dei segnali più deboli, anche se non sono ben caratterizzati. La Biscoveanu afferma che questa capacità di quantificare l’incertezza permette ai ricercatori a evitare qualsiasi bias nella misurazione dello sfondo primordiale.
Una volta identificati tali schemi distinti nei dati delle onde gravitazionali, sono stati lasciati i segnali delle onde gravitazionali primordiali casuali e il rumore strumentale specifico per ciascun rilevatore.
Si ritiene che le onde gravitazionali primordiali permeano l’universo in maniera diffusa e persistente, per questo i ricercatori hanno ipotizzato che dovrebbe avere lo stesso aspetto, e quindi essere correlate, in due rilevatori qualsiasi.
Al contrario, il resto del rumore casuale ricevuto in un rilevatore dovrebbe essere specifico per quel rilevatore e non correlato ad altri rilevatori. Ad esempio, il rumore generato dal traffico nelle vicinanze dovrebbe essere diverso a seconda della posizione di un determinato rilevatore. Confrontando i dati in due rivelatori dopo aver tenuto conto delle sorgenti astrofisiche dipendenti dal modello, i parametri dello sfondo primordiale potrebbero essere individuati.
I ricercatori hanno testato il nuovo metodo simulando prima 400 secondi di dati di onde gravitazionali, che hanno sparso con modelli d’onda che rappresentano fonti astrofisiche. Hanno inoltre aggiunto un segnale in tutti i dati, simile al rumore persistente di un’onda gravitazionale primordiale.
Hanno quindi diviso questi dati in segmenti di quattro secondi e applicato il loro metodo a ciascun segmento, per vedere se potevano identificare con precisione eventuali fusioni di buchi neri e il modello dell’onda gravitazionale primordiale che hanno aggiunto. Dopo aver analizzato ogni segmento di dati in molte sessioni di simulazione e in condizioni iniziali variabili, sono riusciti a estrarre lo sfondo primordiale.
“Siamo stati in grado di adattare sia il primo piano che lo sfondo allo stesso tempo, in modo che il segnale di fondo che riceviamo non sia contaminato dal primo piano residuo”, ha raccontato la Biscoveanu.
Quando i rilevatori più avanzati e sensibili saranno operativi, il nuovo metodo potrà essere utilizzato per correlare e analizzare i dati di due diversi rilevatori, per estrarre il segnale primordiale emesso dalle onde gravitazionali risalenti al Big Bang. Quindi, gli scienziati potrebbero risalire alle condizioni iniziali dell’universo primordiale.
Fonte: https://phys.org/news/2020-12-technique-sift-universe-gravitational.html