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Gli astrofisici predicono la forza delle onde gravitazionali dalla fusione di buchi neri supermassicci

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Le onde gravitazionali sono increspature nella curvatura dello spaziotempo causate da masse accelerate che si propagano come onde alla velocità della luce verso l’esterno dalla loro sorgente. Sebbene non sia necessario un oggetto gigantesco per creare onde gravitazionali, i nostri strumenti sono in grado di rilevare solo quelle generate dall’accelerazione estrema di oggetti molto massicci, come l’orbita binaria dei buchi neri.

Un enorme buco nero si trova al centro della maggior parte delle galassie, come il Sagittario A* al centro della Via Lattea. Questi buchi neri sono molto pesanti: la loro massa può variare da un milione a oltre un miliardo di volte la massa del Sole e, come tali, sono opportunamente conosciuti come buchi neri supermassicci.

Poiché le galassie si muovono attraverso l’Universo, occasionalmente possono avvenire delle fusioni tra loro. Quando ciò accade, i buchi neri supermassicci che ospitano tendono a migrare l’uno verso l’altro e a formare un sistema binario. Mentre questi due buchi neri orbitano l’uno intorno all’altro, deformano il tessuto dello spazio e del tempo intorno a loro e producono onde gravitazionali che si propagano nell’Universo. Queste onde gravitazionali completano un’oscillazione ogni anno circa mentre viaggiano attraverso lo spazio e sono classificate come onde gravitazionali a bassa frequenza.

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L’Universo è pieno di questi sistemi binari di buchi neri supermassicci e le onde gravitazionali che emettono permeano lo spazio, combinandosi a formare qualcosa noto come lo sfondo dell’onda gravitazionale stocastica. Gli scienziati stanno cercando di trovare un segnale di onda gravitazionale da questo sfondo utilizzando una complessa rete di radiotelescopi chiamata matrice di temporizzazione pulsar, ma potrebbero volerci anni prima che avvenga un rilevamento confermato.

Gli scienziati predicono le onde gravitazionali derivanti dalla fusione di buchi neri supermassicci

Gli scienziati prevedono le onde gravitazionali dovute alla fusione di buchi neri supermassicci. Credito: Carl Knox, Università di OzGrav-Swinburne

Per questo motivo, le simulazioni cosmologiche vengono spesso utilizzate per prevedere come potrebbe apparire questo segnale di onda gravitazionale. Questo tipo di simulazione aiuta gli scienziati a comprendere la struttura e la storia dell’Universo tracciando il flusso di materia ed energia da un periodo immediatamente successivo al Big Bang, fino ad oggi.

Un team di ricercatori guidato dalla ricercatrice post-laurea Bailey Sykes (della Monash University), insieme a diversi scienziati di OzGrav, tra cui la dott.ssa Hannah Middleton, ricercatrice associata di OzGrav, hanno recentemente fatto una nuova previsione per la forza di questo segnale di onda gravitazionale. La nuova stima si basa sui dati della simulazione MassiveBlack-II, che simula un’enorme regione dello spazio simile a un pezzo del nostro Universo.

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Il team ha fatto due stime: una in cui i buchi neri supermassicci si fondono quasi istantaneamente una volta che le loro galassie ospiti si scontrano, e un’altra in cui i due buchi neri impiegano del tempo per affondare l’uno verso l’altro una volta che si accoppiano in un sistema binario. Questa seconda stima è importante poiché l’uscita dell’onda gravitazionale di un binario può cambiare durante questo periodo a causa delle interazioni di stelle e gas vicino al binario supermassiccio.

Il segnale dell’onda gravitazionale simulato utilizzando MassiveBlack-II è simile ad altre previsioni di studi precedenti. È più piccolo di un segnale attualmente rilevabile dagli array di temporizzazione pulsar; tuttavia, poiché la sensibilità della tecnologia del telescopio aumenta nel tempo, è possibile che un rilevamento confermato possa essere dietro l’angolo.

I risultati dello studio aggiungono preziose informazioni alle previsioni dei segnali esistenti e forniscono un importante punto di riferimento per i futuri array di temporizzazione delle pulsar. Stime progressivamente più accurate dello sfondo dell’onda gravitazionale stocastica possono essere utilizzate per comprendere ulteriormente altri fenomeni astrofisici, comprese le interazioni di stelle e gas che hanno un impatto sulla fusione dei buchi neri supermassicci.

Riferimenti:

“An estimate of the stochastic gravitational wave background from the MassiveBlackII simulation” di Bailey Sykes, Hannah Middleton, Andrew Melatos, Tiziana Di Matteo, Colin DeGraf e Aklant Bhowmick, 14 febbraio 2022, Monthly Notice of the Royal Astronomical Society .
DOI: 10.1093/mnras/stac388

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“The MassiveBlack-II simulation: the evolution of haloes and galaxies to z ∼ 0” di Nishikanta Khandai, Tiziana Di Matteo, Rupert Croft, Stephen Wilkins, Yu Feng, Evan Tucker, Colin DeGraf e Mao-Sheng Liu, 24 aprile 2015, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
DOI: 10.1093/mnras/stv627

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