Onde gravitazionali: nuove scoperte

Un team internazionale di astronomi potrebbe essere vicino a rilevare deboli increspature nello spazio-tempo che riempiono l'universo

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Coppie di buchi neri miliardi di volte più massicci del Sole potrebbero circondarsi l’uno con l’altro, generando increspature nello spazio stesso. L’Osservatorio Nanohertz nordamericano per le onde gravitazionali (NANOGrav) ha trascorso più di un decennio utilizzando radiotelescopi terrestri per cercare prove di queste increspature spazio-temporali create da questi buchi neri colossali. Questa settimana, il progetto ha annunciato il rilevamento di un segnale che potrebbe essere attribuibile alle onde gravitazionali, sebbene i membri del team non siano ancora pronti a rivendicare il successo.

Le onde gravitazionali furono teorizzate per la prima volta da Albert Einstein nel 1916, ma non furono rilevate direttamente fino a quasi un secolo dopo. Einstein ha mostrato che, piuttosto che essere uno sfondo rigido per l’universo, lo spazio è un tessuto flessibile che è deformato e curvato da oggetti massicci e inestricabilmente legato al tempo. Nel 2015, una collaborazione tra il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) con sede negli Stati Uniti e l’interferometro Virgo in Italia ha annunciato il primo rilevamento diretto di onde gravitazionali: provenivano da due buchi neri, ciascuno con una massa circa 30 volte maggiore del Sole, che stavano fondendosi.

In un nuovo documento pubblicato nel numero di gennaio 2021 dell’Astrophysical Journal Supplements, il progetto NANOGrav riporta il rilevamento di fluttuazioni inspiegabili, coerenti con gli effetti delle onde gravitazionali, raccolte nel tempo durante l’oservazione di 45 pulsar sparse nel cielo e misurate su un arco di 12 anni e mezzo.

Le pulsar sono densi frammenti di materiale rimasto dopo che una stella esplode come una supernova. Come si vede dalla Terra, le pulsar sembrano lampeggiare. In realtà, la luce proviene da due fasci fissi che emanano dai lati opposti della pulsar mentre ruota, come un faro. Quando le onde gravitazionali passano tra una pulsar e la Terra, il sottile allungamento e compressione che si può osservare nello spazio-tempo sembra introdurre una piccola modifica nel regolare lampeggiamento della pulsar. Ma questo effetto è sottile e si sa che più di una dozzina di altri fattori influenzano la temporizzazione della pulsar. Una parte importante del lavoro svolto da NANOGrav consiste nel sottrarre questi fattori dai dati temporali per ciascuna pulsar prima di cercare i segni delle onde gravitazionali.

LIGO e Virgo rilevano le onde gravitazionali da singole coppie di buchi neri (o altri oggetti densi chiamati stelle di neutroni). Al contrario, NANOGrav sta cercando uno “sfondo” persistente di onde gravitazionali, o la combinazione rumorosa di onde create nel corso di miliardi di anni da innumerevoli coppie di buchi neri supermassicci orbitanti l’uno intorno all’altro nell’universo. Questi oggetti producono onde gravitazionali con lunghezze d’onda molto più lunghe di quelle rilevate da LIGO e Virgo, così lunghe che potrebbero volerci anni perché una singola onda passi da un rilevatore stazionario. Quindi, mentre LIGO e Virgo possono rilevare migliaia di onde al secondo, la ricerca di NANOGrav richiede anni di dati.

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Per quanto allettante sia l’ultima scoperta, il team di NANOGrav non è pronto ad affermare di aver trovato prove di uno sfondo cosmico di onde gravitazionali. Perché l’esitazione? Per confermare il rilevamento diretto di una firma dalle onde gravitazionali, i ricercatori di NANOGrav dovranno trovare un modello distintivo nei segnali tra le singole pulsar. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, l’effetto dello sfondo delle onde gravitazionali dovrebbe influenzare i tempi delle pulsar in modo leggermente diverso in base alle loro posizioni l’una rispetto all’altra.

Ad ora, il segnale è troppo debole perché un tale schema sia distinguibile. L’aumento del segnale richiederà a NANOGrav di espandere il proprio set di dati per includere più pulsar studiate per periodi di tempo ancora più lunghi, il che aumenterà la sensibilità dell’array. NANOGrav sta anche mettendo in comune i suoi dati con quelli di altri esperimenti di array di temporizzazione pulsar in uno sforzo congiunto dell’International Pulsar Timing Array, una collaborazione di ricercatori che utilizzano i radiotelescopi più grandi del mondo.

Cercare di rilevare le onde gravitazionali con un array di temporizzazione pulsar richiede pazienza“, ha detto Scott Ransom del National Radio Astronomy Observatory e attuale presidente di NANOGrav. “Al momento stiamo analizzando più di una dozzina di anni di dati, ma un rilevamento definitivo ne richiederà probabilmente un altro paio. È fantastico che questi nuovi risultati siano esattamente ciò che ci aspetteremmo di vedere mentre ci avviciniamo a un rilevamento“.

Il team di NANOGrav ha presentato la scoperta in una conferenza stampa tenutasi l’11 gennaio al 237° incontro della American Astronomical Society. Michele Vallisneri e Joseph Lazio, entrambi astrofisici del Jet Propulsion Laboratory della NASA, e Zaven Arzoumanian del Goddard Space Flight Center della NASA, sono coautori dell’articolo. Joseph Simon, ricercatore presso l’Università di Boulder, in Colorado e autore principale dell’articolo, ha condotto gran parte dell’analisi in qualità di ricercatore post-dottorato presso il JPL. Diversi borsisti post-dottorato della NASA hanno partecipato alla ricerca NANOGrav mentre erano al JPL. NANOGrav è una collaborazione di astrofisici statunitensi e canadesi.

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