Onde gravitazionali, il suono del cosmo

Lo sfondo delle onde gravitazionali è il bisbiglio lasciato da immani eventi accaduti nel corso della storia dell'Universo, il bisbiglio cosmico è di inestimabile valore per la comprensione del cosmo

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L’Universo dovrebbe esserne pieno di increspature generate dalle onde gravitazionali. Ogni coppia di buchi neri, o di stelle di neutroni, ogni supernova che collassa, persino lo stesso Big Bang hanno emesso onde gravitazionali che increspano ancora oggi lo spaziotempo.

Questi eventi, soprattutto quelli avvenuti in passato oggi sono deboli e difficili da rilevare ma gli astronomi pensano che il loro “ronzio” risuoni ancora in tutto l’universo.

Questa vibrazione molto debole è chiamata sfondo delle onde gravitazionali. E forse ne sono state appena rilevate le prime deboli tracce.

Possiamo pensare allo sfondo delle onde gravitazionali come a qualcosa di simile al bisbiglio lasciato da immani eventi accaduti nel corso della storia dell’Universo, questo bisbiglio cosmico è di inestimabile valore per la comprensione del cosmo ma incredibilmente difficile da rilevare.

“È incredibilmente emozionante vedere un segnale così forte emergere dai dati”, ha spiegato l’astrofisico Joseph Simon dell’Università del Colorado Boulder e della collaborazione NANOGrav.



“Tuttavia, poiché il segnale delle onde gravitazionali che stiamo cercando copre l’intera durata delle nostre osservazioni, dobbiamo comprendere attentamente il rumore. Questo ci lascia in un luogo molto interessante, dove possiamo escludere con forza alcune sorgenti di rumore note, ma non possiamo ancora dire se il segnale provenga effettivamente da onde gravitazionali. Per questo, avremo bisogno di più dati”.

La ricerca è solo agli inizi, ma la comunità scientifica è in fermento. Più di 80 documenti che citano la ricerca sono apparsi da quando il documento del team è stato inviato ad arXiv nel settembre dello scorso anno.

Molti altri gruppi di ricercatori hanno analizzato il documento per avvalorarlo o smentirlo. Se il debole segnale emerso dai dati è reale, potrebbe aprire un nuovo orizzonte dell’astronomia delle onde gravitazionali o svelarci fenomeni astrofisici ancora sconosciuti.

Il segnale registrato proviene dalle osservazioni di un oggetto cosmico chiamato pulsar. Le pulsar sono stelle di neutroni altamente magnetizzate che ruotando emettono fasci di onde radio dai loro poli. Le stelle di neutroni hanno periodi di rotazione brevi e regolari. Questo produce un intervallo molto preciso tra gli impulsi che varia da millisecondi a secondi.

Queste rapide emissioni sono sincronizzate in modo incredibilmente preciso, il che significa che le pulsar sono forse tra le stelle più utili nell’Universo. Le variazioni nel loro tempo possono essere utilizzate per la navigazione, per studiare il mezzo interstellare e per studiare la gravità.

Questo perché le onde gravitazionali deformano lo spaziotempo come le onde deformano la superficie di uno stagno, il che teoricamente dovrebbe cambiare, anche se di poco, il tempo degli impulsi radio emessi dalle pulsar.

L’astrofisico Ryan Shannon della Swinburne University of Technology e la collaborazione OzGrav, (che non era coinvolta nella ricerca), hanno spiegato a ScienceAlert:

“Lo sfondo [dell’onda gravitazionale] si estende e riduce lo spazio-tempo tra le pulsar e la terra, facendo sì che i segnali dalle arrivino con un certo ritardo (allungamento) o con certo anticipo (restringimento) di quanto accadrebbe se non ci fossero onde gravitazionali”.

Una singola pulsar con una emissione irregolare non basta per giustificare l’antico ronzio delle onde gravitazionali. Ma se un gruppo di pulsar mostra un modello correlato di variazione temporale, ciò potrebbe costituire la prova dello sfondo cosmico delle onde gravitazionali.

Questo tipo di raccolta di pulsar è nota come array di temporizzazione delle pulsar, ed è ciò che il team di NANOGrav ha osservato: 45 delle pulsar in millisecondi più stabili della Via Lattea.

Non hanno però ancora rilevato il segnale che confermerebbe lo sfondo cosmico delle onde gravitazionali.

Ma hanno rilevato qualcosa: un segnale un “rumore comune” che, ha spiegato Shannon, varia da pulsar a pulsar, ma mostra caratteristiche simili ogni volta. Queste deviazioni hanno portato a variazioni di poche centinaia di nanosecondi nel corso di 13 anni di osservazione, ha spiegato Simon.

Il segnale potrebbe essere spiegato da altri fenomeni. Ad esempio, un array di temporizzazione pulsar deve essere analizzato da un sistema di riferimento che non sta accelerando, il che significa che tutti i dati devono essere trasposti al centro del Sistema Solare, piuttosto che sulla Terra.

Se il baricentro non viene calcolato con precisione, cosa più complicata di quanto sembri, poiché è il centro di massa di tutti gli oggetti in movimento nel Sistema Solare, potremo ricevere un falso segnale. L’anno scorso, il team di NANOGrav ha annunciato di aver calcolato il baricentro del Sistema Solare con una precisione di 100 metri.

Il segnale rilevato potrebbe essere quello giusto, ma servono altri dati per confermarlo. Perché se il segnale proviene davvero dallo sfondo delle onde gravitazionali, sarebbe un grosso problema, poiché la fonte di queste onde gravitazionali sono probabilmente buchi neri supermassicci (SMBH).

Le onde gravitazionali ci mostrano i fenomeni che non possiamo rilevare scandagliando le onde elettromagnetiche, come le collisioni di buchi neri, questo potrebbe permettere di risolvere enigmi come il problema del parsec finale, che ammette che i buchi neri supermassicci potrebbero non essere in grado di fondersi, questo ci aiuterebbe a capire meglio evoluzione e la crescita galattica.

In futuro potremmo persino essere in grado di rilevare le onde gravitazionali prodotte subito dopo il Big Bang, in modo da avere uno sguardo unico sull’Universo primordiale.

“Questo è un possibile primo passo verso il rilevamento delle onde gravitazionali in frequenza nanohertz”, ha detto Shannon. “Vorrei avvertire il pubblico e gli scienziati di non interpretare eccessivamente i risultati. Nel corso del prossimo anno o due penso che emergeranno prove sulla natura del segnale”.

Anche altri team stanno lavorando sull’utilizzo di array di temporizzazione pulsar per rilevare le onde gravitazionali. OzGrav fa parte del Parkes Pulsar Timing Array, che presto rilascerà l’analisi dei suoi set di dati. Anche il Pulsar Timing Array europeo è al lavoro. Il risultato di NANOGrav aumenterà solo l’eccitazione e l’aspettativa che ci sia qualcosa da trovare.

“È stato incredibilmente emozionante vedere un segnale così forte emergere dai nostri dati, ma le cose più eccitanti per me sono i prossimi passi”, ha detto Simon a ScienceAlert.

“Anche se abbiamo ancora molto da fare per arrivare a un rilevamento definitivo, questo è solo il primo passo. Oltre a ciò abbiamo l’opportunità di individuare la fonte del GWB e, oltre a ciò, scopriamo cosa possono dirci l’universo”.

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