Gli scienziati hanno riportato la prima prova che la Terra e l’universo che ci circonda sono inondati da uno sfondo di ondulazioni dello spaziotempo chiamate onde gravitazionali. Le onde oscillano molto lentamente nel corso di anni e persino decenni e si pensa che abbiano origine principalmente da coppie di buchi neri supermassicci che lentamente si muovono a spirale prima di fondersi.
Questa scoperta rivoluzionaria, dettagliata in una serie di articoli su The Astrophysical Journal Letters, è il risultato di 15 anni di meticolose osservazioni da parte del North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves ( NANOGrav ). In qualità di Physics Frontier Center finanziato dalla National Science Foundation (NSF), NANOGrav comprende oltre 190 scienziati provenienti dagli Stati Uniti e dal Canada.
Lo studio ha impiegato radiotelescopi presso l’Osservatorio di Arecibo a Porto Rico, il Green Bank Telescope nel West Virginia e il Very Large Array nel New Mexico per monitorare 68 stelle morte, chiamate pulsar, nel cielo. Le pulsar hanno agito come una rete di boe che galleggiano su un lento mare di onde gravitazionali.
“L’effetto delle onde gravitazionali sulle pulsar è estremamente debole e difficile da rilevare, ma nel tempo abbiamo acquisito fiducia nei risultati man mano che raccoglievamo più dati”, ha affermato Katerina Chatziioannou, membro del team NANOGrav e assistente professore di fisica al Caltech. “In futuro continueremo a fare più osservazioni e confronteremo i nostri risultati con quelli di partner internazionali, il che ci consentirà di imparare di più dai dati”.
Svelare i buchi neri
“Abbiamo un nuovo modo di sondare ciò che accade quando i mostruosi buchi neri al centro delle galassie iniziano una lenta ma inesorabile spirale di morte”, ha dichiarato Joseph Lazio, membro del team NANOGrav, scienziato principale presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL ) e un visiting associate in astronomia al Caltech, che gestisce il JPL per la NASA. “Pensiamo che questo processo sia standard per molte galassie e abbiamo visto molti esempi in vari passaggi, ma finalmente stiamo iniziando a intravedere uno dei passaggi finali chiave”.
Onde gravitazionali: un concetto Einsteiniano
Albert Einstein propose per la prima volta il concetto di onde gravitazionali nel 1916. Tuttavia, fu solo circa un secolo dopo che furono rilevate direttamente dal LIGO (Laser Interferometer Gravitational -Wave Observatory) finanziato dalla NSF. Gli scienziati hanno rilevato onde da una coppia di lontani buchi neri in collisione.
A differenza di LIGO, che rileva le onde gravitazionali con una frequenza molto più alta, NANOGrav, come suggerisce il nome, si concentra su onde gravitazionali a frequenza più bassa nell’ordine dei nanohertz, cioè un ciclo ogni pochi anni.
Le onde gravitazionali a frequenza più alta provengono da coppie più piccole di buchi neri che sfrecciano rapidamente l’una intorno all’altra negli ultimi secondi prima che si scontrino, mentre si pensa che le onde a frequenza più bassa siano generate da enormi buchi neri nel cuore delle galassie, fino a miliardi di volte la massa del nostro Sole, che si muovono lentamente l’uno intorno all’altro e impiegano milioni di anni prima di fondersi.
Il ronzio collettivo della fusione dei buchi neri
Nei nuovi studi, si pensa che NANOGrav abbia captato un ronzio collettivo di onde gravitazionali da molte coppie di buchi neri supermassicci che si fondono in tutto l’Universo. “Le persone confrontano questo segnale con qualcosa di più di un mormorio di sottofondo rispetto alle grida che LIGO raccoglie”, ha spiegato Chatziioannou, che è anche un membro del team LIGO e William H. Hurt Scholar.
“È come essere a un party e non riuscire a distinguere una singola voce. Sentiamo solo il rumore di fondo”, ha affermato Patrick Meyers, membro del team NANOGrav e ricercatore associato post-dottorato presso Caltech, che ha contribuito a condurre test statistici sui risultati.
Comprendere il ronzio cosmico
La rete di pulsar di NANOGrav è anche nota come pulsar -timing array. Le pulsar, che si sono formate dalle esplosioni di stelle massicce, emettono raggi di luce che ruotano rapidamente a intervalli molto precisi. “Questi sono come fari che passano a un ritmo regolare. Puoi prevedere i tempi fino a un livello di decine di nanosecondi. In alcuni casi hanno lo stesso livello di precisione degli orologi atomici”, ha detto Meyers.
Quando le onde gravitazionali viaggiano attraverso il cosmo, allungano e comprimono leggermente il tessuto dello spaziotempo. Questo allungamento e compressione può far variare minuziosamente la distanza tra la Terra e una data pulsar, il che si traduce in ritardi o anticipi nella tempistica dei lampi di luce delle pulsar.
Per cercare il ronzio di fondo delle onde gravitazionali, il team scientifico ha sviluppato programmi software per confrontare i tempi delle coppie di pulsar nella loro rete. Le onde gravitazionali sposteranno questa tempistica in gradi diversi a seconda di quanto sono vicine le pulsar al cielo, uno schema calcolato per la prima volta teoricamente da Ron Hellings e George Downs al JPL nei primi anni ’80.
“Per stuzzicare lo sfondo delle onde gravitazionali, abbiamo dovuto inchiodare una moltitudine di effetti confusi, come il moto delle pulsar, le perturbazioni dovute agli elettroni liberi nella nostra galassia, le instabilità degli orologi di riferimento negli osservatori radio, e persino la posizione precisa del centro del sistema solare, che abbiamo determinato con l’aiuto delle missioni Juno e Cassini della NASA “, ha affermato Michele Vallisneri, membro del team NANOgrav, ricercatore senior al JPL e visiting associate in astrofisica teorica al Caltech.
Ulteriori esplorazioni e conclusioni
I futuri risultati di NANOGrav includeranno il telescopio canadese CHIME, che ha aderito al progetto nel 2019. Anche il Deep Synoptic Array-2000, o DSA-2000 di Caltech, un array di 2.000 antenne radio progettate per essere costruite nel deserto del Nevada e iniziare le operazioni nel 2027, sarà unito alla ricerca.
Gli scienziati sperano di rispondere ai misteri sulla natura della fusione dei buchi neri supermassicci, come quanto sono comuni, cosa li unisce e quali altri fattori contribuiscono alla loro coalescenza.
Fonte: The Astrophysical Journal Letters
