Utilizzando pulsar radio, Emmanuel Fonseca della WVU è pioniere nella rilevazione delle onde gravitazionali, con l’obiettivo di rivelare informazioni sulle stelle di neutroni e sulla struttura dell’universo. Il suo lavoro, sostenuto da ingenti finanziamenti della NSF, fonde l’astronomia tradizionale con tecnologie avanzate.
Onde gravitazionali che distorcono il continuum spaziotemporale
Fonseca, Professore associato di astronomia presso il WVU Eberly College of Arts and Sciences, nel suo studio ha utilizzato segnali cronometrati con precisione da stelle chiamate “pulsar radio” per rilevare le onde gravitazionali.
Queste onde, generate quando oggetti massicci come stelle o buchi neri prendono velocità, contengono informazioni su fenomeni e oggetti in galassie distanti e potrebbero rivelare come si comporta la materia all’interno delle stelle di neutroni.
“Le onde gravitazionali permeano tutto, il sistema solare, la Terra, noi, ma solo negli ultimi cinque-otto anni siamo stati in grado di rilevarle“, ha detto Fonseca: “Sono una finestra unica sull’Universo, distinta dalle radiazioni elettromagnetiche come la luce, i raggi X, gli ultravioletti. Quelle forme di radiazione sono generate da particelle cariche, mentre le onde sono causate da oggetti che accelerano nello spazio e perturbano lo spazio-tempo”.
Lo studio
Secondo Fonseca: “Tutti i buchi neri supermassicci nei sistemi binari nell’Universo ci stanno lanciando onde. L’impatto complessivo di quei segnali è un modello traballante, apparentemente casuale, chiamato ‘sfondo di onde gravitazionali‘. Man mano che questa ricerca migliora la nostra sensibilità a quello sfondo, diventeremo più sensibili alle onde emanate dalle galassie vicine. Una volta trovate le fonti locali di onde, potremo puntare i telescopi elettromagnetici verso di esse e iniziare a dare un senso alle cose“.
Einstein ha teorizzato l’esistenza delle onde gravitazionali nel 1916, ma solo la scorsa primavera il gruppo di ricerca internazionale NANOGrav ha annunciato prove inequivocabili della loro esistenza.
“NANOGrav è un team di ricercatori, me compreso, che ha utilizzato i dati del Green Bank Telescope nella contea di Pocahontas per rilevare le onde“, ha spiegato Fonseca: “Per anni abbiamo lavorato duramente per trovare prove della lora esistenza. Ora improvvisamente non solo le stiamo rilevando, ma stiamo anche dando loro un senso”.
Lo studio unirà i dati di Green Bank con quelli del radiotelescopio CHIME in Canada, che Fonseca ha contribuito a costruire. Gli osservatori hanno registrato informazioni simili a intervalli e frequenze differenti.
“Combinando i dati possiamo raggiungere una copertura completa di ogni onda. Possiamo ‘vedere’ da una depressione, oltre il picco e giù fino alla depressione successiva“, ha detto.
Le onde gravitazionali possono estendersi attraverso le galassie. Esistono nello spettro a bassa frequenza, quindi potrebbero trascorrere un anno o due tra la registrazione del primo picco di un’onda gravitazionale da parte di un radiotelescopio e il secondo. Quando le onde oscillano, increspano il Cosmo, spostando leggermente nel tempo e nello spazio tutto quello che incontrano.
Le pulsar, coppie di stelle di neutroni rotanti, hanno consentito a Fonseca di rilevarle. Le pulsar emettono impulsi radio che raggiungono la Terra a intervalli precisi e prevedibili.
“Usiamo le pulsar come rilevatori, fari in lontananza“, ha aggiunto Fonseca: “Quando vediamo deviazioni correlate che influenzano la temporizzazione in una serie di pulsar, è un segno che le onde gravitazionali influenzano la Terra. Le deviazioni si verificano perché la radiazione gravitazionale ci ha attraversato, restringendo e schiacciando il nostro osservatorio e i nostri strumenti”.
Per utilizzare le pulsar come rilevatori è necessario comprendere il più possibile sulle pulsar stesse e su fenomeni come la “scintillazione”, lo scintillio delle stelle, che influenzano il segnale di una pulsar nel suo percorso verso la Terra.
“La scintillazione sembra casuale e gli astronomi l’hanno sempre considerata un fastidio“, ha specificato Fonseca: “Ma credo che codifichi informazioni che possono migliorare il rilevamento delle onde”.
Lo studioso ha sottolineato l’importanza dell’integrazione dei dati pulsar di Green Bank e CHIME, grazie alla quale gli astronomi scopriranno molto di più delle onde gravitazionali: saranno anche in grado di calcolare le masse delle stelle di neutroni.
“Calcolare la massa è una cosa rara e difficile in astronomia. Non abbiamo bilance per misurare il peso delle stelle. Ma ora abbiamo i mezzi per estrarre da questi segnali informazioni gravitazionali molto precise che ci consentono di misurare la massa delle stelle di neutroni, che a loro volta possono dirci cosa sta succedendo al loro interno”.
Conclusioni
Una pulsar è una stella di neutroni rotante, e Fonseca ha definito una stella di neutroni: “L’ambiente più estremo che possiamo osservare attualmente. È un ambiente simile a un buco nero, ma poiché la sua gravità non è così estrema, possiamo tecnicamente dare un senso a quello che sta accadendo al suo interno”.
“J. Robert Oppenheimer è famoso soprattutto come il ‘padre della bomba atomica’, ma è stato anche uno dei primi a porsi domande sul comportamento delle stelle di neutroni, come il funzionamento della fisica nucleare a una gravità così estrema o quali tipi di materia potrebbero esistere lì. Questo è avvenuto quasi cento anni fa e solo negli ultimi cinque anni abbiamo iniziato a trovare indizi intriganti con i dati NANOGrav“.
