Piccoli errori di modellazione possono accumularsi più velocemente di quanto previsto in precedenza quando i fisici combinano più eventi di onde gravitazionali (come le collisioni di buchi neri) per testare la teoria della relatività generale di Albert Einstein, come suggeriscono i ricercatori dell’Università di Birmingham nel Regno Unito.
I risultati, pubblicati il 16 giugno sulla rivista iScience, suggeriscono che i cataloghi con un minimo di 10-30 eventi con un rapporto segnale-rumore di fondo di 20 (tipico per gli eventi utilizzati in questo genere di test) potrebbero fornire deviazioni fuorvianti dalla relatività generale, indicando erroneamente una nuova fisica che non esiste.
Poiché questo è vicino alla dimensione degli attuali cataloghi utilizzati per valutare la teoria di Einstein, gli autori concludono che i fisici dovrebbero procedere con cautela quando eseguono tali esperimenti.
Testare la relatività generale
“Testare la relatività generale con cataloghi di eventi di onde gravitazionali è un’area di ricerca molto nuova“, afferma Christopher J. Moore, docente presso la School of Physics and Astronomy & Institute for Gravitational Wave Astronomy presso l’Università di Birmingham nel Regno Unito e autore principale dello studio.
“Questo è uno dei primi studi a esaminare in dettaglio l’importanza degli errori dei modelli teorici in questo nuovo tipo di test. Sebbene sia ben noto che gli errori nei modelli teorici devono essere trattati con attenzione quando si tenta di testare una teoria, siamo rimasti sorpresi dalla rapidità con cui possono accumularsi piccoli errori di modello quando inizi a combinare gli eventi nei cataloghi.”
Nel 1916, Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale, che spiega come oggetti celesti massicci deformano il tessuto interconnesso di spazio e tempo, dando luogo alla gravità.
La teoria prevede che incidenti violenti nello spazio esterno come le collisioni di buchi neri deformino lo spazio-tempo così gravemente da produrre increspature chiamate onde gravitazionali, che si propagano nello spazio alla velocità della luce.
Strumenti come LIGO e Virgo hanno ora rilevato segnali di onde gravitazionali generati da dozzine di buchi neri in fusione, che i ricercatori hanno utilizzato per mettere alla prova la teoria di Einstein. Per testare ulteriormente la teoria, i fisici la stanno ora testando su cataloghi di più eventi di onde gravitazionali raggruppati.
“Quando mi sono interessato alla ricerca sulle onde gravitazionali, una delle principali attrazioni è stata la possibilità di eseguire nuovi e più severi test della relatività generale“, afferma Riccardo Buscicchio, Ph.D. studente presso la School of Physics and Astronomy & Institute for Gravitational Wave Astronomy e coautore dello studio.
“La teoria è fantastica e ha già superato una serie impressionante di altri test. Ma sappiamo da altre aree della fisica che non può essere completamente corretta. Cercare di trovare esattamente dove fallisce è una delle domande più importanti in fisica“.
Tuttavia, mentre cataloghi di onde gravitazionali più grandi potrebbero avvicinare gli scienziati alla risposta nel prossimo futuro, amplificano anche il potenziale di errori. Poiché i modelli di forme d’onda comportano inevitabilmente alcune approssimazioni, semplificazioni ed errori di modellazione, i modelli con un alto grado di precisione per i singoli eventi potrebbero rivelarsi fuorvianti se applicati a cataloghi di grandi dimensioni.
Per determinare come gli errori della forma d’onda crescono all’aumentare delle dimensioni del catalogo, Moore e colleghi hanno utilizzato cataloghi simulati semplificati e linearizzati per eseguire un gran numero di calcoli di test, che prevedevano il disegno di rapporti segnale-rumore, mancata corrispondenza e angoli di allineamento dell’errore del modello per ciascun evento di onde gravitazionali.
I ricercatori hanno scoperto che la velocità con cui si accumulano gli errori di modellazione dipende dal fatto che gli errori di modellazione tendano o meno a fare la media tra molti eventi di catalogo diversi, se le deviazioni hanno lo stesso valore per ogni evento e la distribuzione degli errori di modellazione della forma d’onda tra gli eventi.
“Il prossimo passo sarà per noi trovare modi per indirizzare questi casi specifici utilizzando modelli più realistici ma anche più costosi dal punto di vista computazionale“, afferma Moore. “Se vogliamo avere fiducia nei risultati di tali test, dobbiamo prima avere una buona comprensione possibile degli errori nei nostri modelli“.