Onde gravitazionali a bassa frequenza e materia oscura

Le onde gravitazionali a bassa frequenza permettono di studiare l'universo e la sua genesi in un modo totalmente nuovo e inaspettato. Sebbene lo sfondo cosmico a microonde non ci permetta di indagare sui primi 380.000 anni del nostro universo, ci permette di osservare alcuni scorci di ciò che è accaduto durante il Big Bang avvenuto 13,78 miliardi di anni fa

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NANOGrav ha rilevato i primi flebili segnali emessi da onde gravitazionali a bassa frequenza. NANOGrav è l’acronimo di North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves. I membri che partecipano a NANOGrav provengono da tutti gli Stati Uniti e dal Canada e hanno l’obiettivo è studiare l’universo utilizzando le onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali sono previste dalla Relatività Generale descritta da Albert Einstein.

Queste onde si manifestano quando oggetti massicci si muovono in un certo modo. le increspature fanno sì che gli oggetti si deformino, allungandosi o contraendosi mentre l’onda li attraversa, tuttavia l’effetto è minimo:

anche un’onda gravitazionale molto forte farà contrarre e allungare un oggetto di una parte su un quadrilione! (1 quadrilione = 1.000.000.000.000.000)

NANOGrav utilizza la galassia stessa per rilevare le onde gravitazionali studiando oggetti chiamati pulsar. Le pulsar sono ciò che resta di stelle morte, nuclei formati da stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono impulsi radio con straordinaria regolarità.

Gli scienziati della collaborazione NANOGrav utilizzano i migliori telescopi oggi disponibili e la tecnologia più avanzata, attingendo alla fisica, all’informatica, all’elaborazione dei segnali e all’ingegneria elettronica.



L’obiettivo a breve termine è quello di rilevare una particolare classe di onde, le onde gravitazionali a bassa frequenza entro il prossimo decennio. Ma il rilevamento è solo il primo passo verso lo studio dell’Universo in un modo completamente nuovo e rivoluzionario, che promette di effettuare inaspettate scoperte.

Il Prof. Pedro Schwaller e Wolfram Ratzinger hanno studiato i dati di NANOgrav e, in particolare, hanno considerato la possibilità di stabilire se questo studio possa portare verso una nuova fisica oltre l’attuale Modello Standard.

In un articolo pubblicato sulla rivista SciPost Physics, riportano che il segnale captato è coerente sia con una transizione di fase nell’universo primordiale che con la presenza di un campo di particelle estremamente leggere simili agli assioni (ALP). Queste particelle sono considerati i candidati più promettenti per spiegare la materia oscura.

Sebbene l’esistenza della materia oscura sia stata confermata da diverse osservazioni indipendenti, la sua vera identità rimane un mistero. Lassione è stato proposto per dare un volto alla misteriosa materia oscura.

Questa particella ancora ipotetica è stata ideata per risolvere il mistero del perché i neutroni non interagiscono con un campo elettrico, nonostante abbiano costituenti elettricamente carichi. Il nome assione fu coniato da Frank Wilczek, ex professore dello Ias, ispirato da un detersivo per i piatti chiamato Axion, perché – proprio come il detersivo – l’ipotetica particella “puliva” il problema della violazione della simmetria CP.

Le onde gravitazionali a bassa frequenza e la materia oscura

Le onde gravitazionali a bassa frequenza permettono di studiare l’universo e la sua genesi in un modo totalmente nuovo e inaspettato. Sebbene lo sfondo cosmico a microonde non ci permetta di indagare sui primi 380.000 anni del nostro universo, ci permette di osservare alcuni scorci di ciò che è accaduto durante il Big Bang avvenuto 13,78 miliardi di anni fa.

Come ha spiegato Pedro Schwaller, professore di fisica teorica del PRISMA + Cluster of Excellence della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) è proprio in quella antica epoca che le particelle elementari come i quark e i gluoni si sono combinate andando a formare i primi nuclei atomici, i mattoni fondamentali che hanno contribuito alla nascita delle strutture che oggi osserviamo.

Le onde rilevate dalla collaborazione NANOgrav hanno una particolarità, sono onde gravitazionali a bassa frequenza pari a 10 -8 Hertz che equivalgono a circa un’oscillazione all’anno.

A causa della loro lunghezza d’onda molto grande, per poterle rilevare l’apparecchiatura dovrebbe essere ugualmente grande. Poiché un rivelatore simile è impossibile da realizzare qui sulla Terra, gli astronomi della collaborazione NANOGrav ricorrono alle pulsar distanti che utilizzano come enormi rivelatori.

Wolfram Ratzinger spiega quali siano state le motivazioni alla base del loro lavoro: “Anche se finora i dati ci forniscono solo un primo indizio dell’esistenza delle onde gravitazionali a bassa frequenza, è comunque molto eccitante per noi lavorare con loro.

Questo perché le onde gravitazionali a bassa frequenza potrebbero essere prodotte da vari processi che si sono verificati nell’universo primordiale. Ora possiamo utilizzare i dati che abbiamo a disposizione per decidere, quali di questi prendere in considerazione e quali non si adattano affatto ai dati”.

Gli scienziati di Magonza hanno deciso di prendere in esame in maniera particolarmente accurata due scenari che potrebbero aver prodotto le onde gravitazionali a bassa frequenza osservate: le transizioni di fase nell’universo primordiale e un campo di materia oscura prodotto da particelle simili ad assioni (ALP).

Questo tipo di transizioni di fase avvengono a causa della caduta repentina della temperatura nella zuppa primordiale creata subito dopo il Big Bang e provocano enormi turbolenze, tuttavia, come la materia oscura, non sono spiegate dal Modello Standard.

Ora Pedro Schwaller e Wolfram Ratzinger sulla base dei dati disponibili, interpretano i risultati della loro analisi con molta cautela: “Forse leggermente più probabile è lo scenario di transizione di fase iniziale”.

D’altra parte, Schwaller e Ratzinger pensano che il fatto di essere capaci di elaborare determinate possibilità basandosi solo su una serie di dati limitati dimostra ila bontà del loro approccio.

“Il nostro lavoro è un primo, ma importante sviluppo: ci dà molta fiducia che con dati più precisi possiamo trarre conclusioni affidabili sul messaggio che le onde gravitazionali a bassa frequenza ci inviano dall’universo primordiale”.

“Inoltre”, conclude Pedro Schwaller, “possiamo già iniziare a definire alcune caratteristiche degli scenari e imporre loro dei vincoli, nel nostro caso la forza della transizione di fase e la massa degli assioni”.

In futuro, nuove rilevazioni di onde gravitazionali a bassa frequenza potrebbero gettare una nuova luce sui primi istanti di vita dell’universo aprendo una finestra su un un tempo lontano dove processi ancora sconosciuti hanno plasmato la materia oscura.

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