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Nuove prove dell’esistenza di uno sfondo di onde gravitazionali che permea tutto lo spaziotempo

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I risultati di una ricerca completa dello sfondo di onde gravitazionali a bassissima frequenza sono stati annunciati da un team internazionale di astronomi tra cui scienziati dell’Institute for Gravitational Wave Astronomy dell’Università di Birmingham.

Queste increspature di un anno luce, una conseguenza della teoria della relatività generale di Einstein, permeano tutto lo spaziotempo e potrebbero derivare dalla fusione dei buchi neri più massicci dell’Universo o da eventi verificatisi subito dopo la formazione dell’Universo. Gli scienziati hanno cercato prove definitive di questi segnali per diversi decenni.

L’International Pulsar Timing Array (IPTA), unendosi al lavoro di diverse collaborazioni di astrofisica in tutto il mondo, ha recentemente completato la sua ricerca di onde gravitazionali nel loro più recente rilascio di dati ufficiali, noto come Data Release 2 (DR2).

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Questo set di dati è costituito da dati di temporizzazione di precisione da pulsar da 65 millisecondi – resti stellari che ruotano centinaia di volte al secondo, analizzando fasci stretti di onde radio che appaiono come impulsi a causa della rotazione – ottenuti combinando i set di dati indipendenti dai tre fondatori dell’IPTA membri: The European Pulsar Timing Array (EPTA), North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) e Parkes Pulsar Timing Array in Australia (PPTA).

Questi dati combinati rivelano una forte evidenza di un segnale a frequenza ultra bassa rilevato da molte delle pulsar nei dati combinati. Le caratteristiche di questo segnale comune tra le pulsar sono in ampio accordo con quelle attese da un “fondo” di onde gravitazionali.

Lo sfondo dell’onda gravitazionale è formato da molti diversi segnali di onde gravitazionali sovrapposti emessi dalla popolazione cosmica di buchi neri binari supermassicci (cioè due buchi neri supermassicci in orbita l’uno attorno all’altro e alla fine si fondono) – simile al rumore di fondo delle molte voci sovrapposte in una sala affollata.

Questo risultato rafforza ulteriormente l’emergere graduale di segnali simili che sono stati trovati nei singoli set di dati rilevati dalle collaborazioni partecipanti all’analisi di temporizzazione delle pulsar effettuati negli ultimi anni.

Il professor Alberto Vecchio, Direttore dell’Institute for Gravitational Wave Astronomy dell’Università di Birmingham e membro dell’EPTA, afferma: “Il rilevamento delle onde gravitazionali da una popolazione di enormi binari di buchi neri o da un’altra sorgente cosmica ci darà spunti senza precedenti nel modo in cui le galassie si formano e crescono, o nei processi cosmologici che hanno luogo nell’universo infantile. È necessario un grande sforzo internazionale della scala dell’IPTA per raggiungere questo obiettivo e i prossimi anni potrebbero portarci un’età d’oro per queste esplorazioni dell’universo“.

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Questo è un segnale molto eccitante! Sebbene non disponiamo ancora di prove definitive, potremmo iniziare a rilevare uno sfondo di onde gravitazionali“, afferma il dottor Siyuan Chen, membro dell’EPTA e NANOGrav e leader della ricerca e pubblicazione IPTA DR2.

Il dottor Boris Goncharov del PPTA mette in guardia sulle possibili interpretazioni di segnali così comuni: “Stiamo anche esaminando cos’altro potrebbe essere questo segnale. Ad esempio, forse potrebbe derivare dal rumore presente nei dati delle singole pulsar che potrebbe essere stato modellato in modo improprio nelle nostre analisi”.

Per identificare lo sfondo dell’onda gravitazionale come origine di questo segnale a frequenza ultra bassa, l’IPTA deve anche rilevare le correlazioni spaziali tra le pulsar. Ciò significa che ogni coppia di pulsar deve rispondere in modo molto particolare alle onde gravitazionali, a seconda della loro separazione nel cielo.

Queste correlazioni distintive tra le coppie di pulsar sono la “pistola fumante” per il rilevamento dello sfondo di onde gravitazionali. Senza di loro, sarebbe difficile dimostrare che qualche altro processo non sia responsabile del segnale. Curiosamente, la prima indicazione di uno sfondo di onde gravitazionali sarebbe un segnale comune come quello visto nell’IPTA DR2. La correlazione o meno di questo segnale a frequenza ultra-bassa spettralmente simile tra pulsar in conformità con le previsioni teoriche verrà risolto con un’ulteriore raccolta di dati, array estesi di pulsar monitorati e ricerche continue dei set di dati risultanti più lunghi e più grandi.

Segnali coerenti come quello recuperato con l’analisi IPTA sono stati pubblicati anche in singoli set di dati più recenti di quelli utilizzati nell’IPTA DR2, da ciascuna delle tre collaborazioni fondatrici. L’analisi IPTA DR2 dimostra la potenza della combinazione internazionale fornendo una forte evidenza di uno sfondo di onde gravitazionali rispetto all’evidenza marginale o assente dai set di dati costituenti. Inoltre, i nuovi dati del telescopio MeerKAT e dell’Indian Pulsar Timing Array (InPTA), l’ultimo membro dell’IPTA, amplieranno ulteriormente i futuri set di dati.

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Il primo accenno di un’onda gravitazionale di fondo sarebbe un segnale come quello visto nell’IPTA DR2. Quindi, con più dati, il segnale diventerà più significativo e mostrerà correlazioni spaziali, a quel punto sapremo che si tratta di un’onda gravitazionale di fondo. Non vediamo l’ora di contribuire per la prima volta con diversi anni di nuovi dati all’IPTA, per aiutare a ottenere un rilevamento dello sfondo delle onde gravitazionali“, afferma la dott.ssa Bhal Chandra Joshi, membro dell’InPTA.

Dati gli ultimi risultati pubblicati dai singoli gruppi, ora tutti possono recuperare chiaramente il segnale comune, l’IPTA è ottimista per ciò che può essere ottenuto una volta che questi saranno combinati nell’IPTA Data Release 3. Il lavoro è già in corso su questo nuovo rilascio di dati, che come minimo includerà set di dati aggiornati dai quattro PTA costitutivi dell’IPTA. L’analisi del set di dati DR3 dovrebbe concludersi nei prossimi anni.

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La dott.ssa Maura McLaughlin della collaborazione NANOGrav afferma: “Se il segnale che stiamo vedendo è il primo accenno di uno sfondo di onde gravitazionali, sulla base delle nostre simulazioni, è possibile che avremo misurazioni più definite delle correlazioni spaziali necessarie per concludere identificare l’origine del segnale comune nel prossimo futuro”.

Riferimento: “The International Pulsar Timing Array second data release: Search for an isotropic Gravitational Wave Background” di J Antoniadis, Z Arzoumanian, S Babak, M Bailes, AS Bak Nielsen, PT Baker, CG Bassa, B Bécsy, A Berthereau, M Bonetti, A Brazier, PR Brook, M Burgay, S Burke-Spolaor, RN Caballero, JA Casey-Clyde, A Chalumeau, DJ Champion, M Charisi, S Chatterjee, S Chen, I Cognard, JM Cordes, NJ Cornish, F Crawford , HT Cromartie, K Crowter, S Dai, ME DeCesar, PB Demorest, G Desvignes, T Dolch, B Drachler, M Falxa, EC Ferrara, W Fiore, E Fonseca, JR Gair, N Garver-Daniels, B Goncharov, DC Good , E Graikou, L Guillemot, YJ Guo, JS Hazboun, G Hobbs, H Hu, K Islo, GH Janssen, RJ Jennings, AD Johnson, ML Jones, AR Kaiser, DL Kaplan, R Karuppusamy, MJ Keith, LZ Kelley, M Kerr, JS Key, M Kramer, MT Lam, WG Lamb,TJW Lazio, KJ ​​Lee, L Lentati, K Liu, J Luo, RS Lynch, AG Lyne, DR Madison, RA Main, RN Manchester, A McEwen, JW McKee, MA McLaughlin, MB Mickaliger, CMF Mingarelli, C Ng, DJ Nice , S Osłowski, A Parthasarathy, TT Pennucci, BBP Perera, D Perrodin, A Petiteau, NS Pol, NK Porayko, A Possenti, SM Ransom, PS Ray, DJ Reardon, CJ Russell, A Samajdar, LM Sampson, S Sanidas, JM Sarkissian, K Schmitz, L Schult, A Sesana, G Shaifullah, RM Shannon, BJ Shapiro-Albert, X Siemens, J Simon, TL Smith, L Speri, R Spiewak, IH Stairs, BW Stappers, DR Stinebring, JK Swiggum, SR Taylor, G Theureau, C Tiburzi, M Vallisneri, E Wateren, A Vecchio, JPW Verbiest, SJ Vigeland, H Wahl, JB Wang, J Wang, L Wang, CA Witt, S Zhang, XJ Zhu, 12 gennaio 2022,RN Manchester, A McEwen, JW McKee, MA McLaughlin, MB Mickaliger, CMF Mingarelli, C Ng, DJ Nice, S Osłowski, A Parthasarathy, TT Pennucci, BBP Perera, D Perrodin, A Petiteau, NS Pol, NK Porayko, A Possenti , SM Ransom, PS Ray, DJ Reardon, CJ Russell, A Samajdar, LM Sampson, S Sanidas, JM Sarkissian, K Schmitz, L Schult, A Sesana, G Shaifullah, RM Shannon, BJ Shapiro-Albert, X Siemens, J Simon , TL Smith, L Speri, R Spiewak, IH Stairs, BW Stappers, DR Stinebring, JK Swiggum, SR Taylor, G Theureau, C Tiburzi, M Vallisneri, E Wateren, A Vecchio, JPW Verbiest, SJ Vigeland, H Wahl, JB Wang, J Wang, L Wang, CA Witt, S Zhang, XJ Zhu, 12 gennaio 2022,RN Manchester, A McEwen, JW McKee, MA McLaughlin, MB Mickaliger, CMF Mingarelli, C Ng, DJ Nice, S Osłowski, A Parthasarathy, TT Pennucci, BBP Perera, D Perrodin, A Petiteau, NS Pol, NK Porayko, A Possenti , SM Ransom, PS Ray, DJ Reardon, CJ Russell, A Samajdar, LM Sampson, S Sanidas, JM Sarkissian, K Schmitz, L Schult, A Sesana, G Shaifullah, RM Shannon, BJ Shapiro-Albert, X Siemens, J Simon , TL Smith, L Speri, R Spiewak, IH Stairs, BW Stappers, DR Stinebring, JK Swiggum, SR Taylor, G Theureau, C Tiburzi, M Vallisneri, E Wateren, A Vecchio, JPW Verbiest, SJ Vigeland, H Wahl, JB Wang, J Wang, L Wang, CA Witt, S Zhang, XJ Zhu, 12 gennaio 2022,A Petiteau, NS Pol, NK Porayko, A Possenti, SM Ransom, PS Ray, DJ Reardon, CJ Russell, A Samajdar, LM Sampson, S Sanidas, JM Sarkissian, K Schmitz, L Schult, A Sesana, G Shaifullah, RM Shannon , BJ Shapiro-Albert, X Siemens, J Simon, TL Smith, L Speri, R Spiewak, IH Stairs, BW Stappers, DR Stinebring, JK Swiggum, SR Taylor, G Theureau, C Tiburzi, M Vallisneri, E Wateren, A Vecchio , JPW Verbiest, SJ Vigeland, H Wahl, JB Wang, J Wang, L Wang, CA Witt, S Zhang, XJ Zhu, 12 gennaio 2022,A Petiteau, NS Pol, NK Porayko, A Possenti, SM Ransom, PS Ray, DJ Reardon, CJ Russell, A Samajdar, LM Sampson, S Sanidas, JM Sarkissian, K Schmitz, L Schult, A Sesana, G Shaifullah, RM Shannon , BJ Shapiro-Albert, X Siemens, J Simon, TL Smith, L Speri, R Spiewak, IH Stairs, BW Stappers, DR Stinebring, JK Swiggum, SR Taylor, G Theureau, C Tiburzi, M Vallisneri, E Wateren, A Vecchio , JPW Verbiest, SJ Vigeland, H Wahl, JB Wang, J Wang, L Wang, CA Witt, S Zhang, XJ Zhu, 12 gennaio 2022,C Tiburzi, M Vallisneri, E Waters, A Vecchio, JPW Verbiest, SJ Vigeland, H Wahl, JB Wang, J Wang, L Wang, CA Witt, S Zhang, XJ Zhu, 12 gennaio 2022,C Tiburzi, M Vallisneri, E Waters, A Vecchio, JPW Verbiest, SJ Vigeland, H Wahl, JB Wang, J Wang, L Wang, CA Witt, S Zhang, XJ Zhu, 12 gennaio 2022,Avvisi mensili della Royal Astronomical Society .
DOI: 10.1093/mnras/stab3418

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