Gli scienziati stanno segnalando la prima prova che la nostra Terra e l’universo che ci circonda sono inondati da uno sfondo di ondulazioni dello spaziotempo chiamato onde gravitazionali.
Le onde oscillano molto lentamente nel corso di anni e persino decenni e si pensa che abbiano origine principalmente da coppie di buchi neri supermassicci che lentamente si muovono a spirale prima di fondersi.
Concetto artistico di una collezione di pulsar che rilevano le onde gravitazionali da coppie di buchi neri supermassicci in orbita. Credito immagine: Aurore Simonnet per la collaborazione NANOGrav
I risultati, riportati in una serie di articoli in Le lettere del diario astrofisicoprovengono da 15 anni di osservazioni effettuate dal North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), un Physics Frontier Center finanziato dalla National Science Foundation (NSF) di oltre 190 scienziati provenienti dagli Stati Uniti e dal Canada.
NANOGrav ha utilizzato i dati dei radiotelescopi – l’Osservatorio di Arecibo a Porto Rico, il Green Bank Telescope nel West Virginia e il Very Large Array nel New Mexico – per monitorare 68 stelle morte, chiamate pulsar, nel cielo. Le pulsar hanno agito come una rete di boe che galleggiano su un lento mare di onde gravitazionali.
Katerina Chatziioannou. Credito immagine: Caltech
“L’effetto delle onde gravitazionali sulle pulsar è estremamente debole e difficile da rilevare, ma nel tempo abbiamo acquisito fiducia nei risultati man mano che raccoglievamo più dati”, afferma Katerina Chatziioannou, membro del team NANOGrav e assistente professore di fisica al Caltech. .
“In futuro, continueremo a fare più osservazioni e confrontare i nostri risultati con quelli di partner internazionali, permettendoci di imparare di più dai dati”.
NSF ospiterà una presentazione dal vivo sui risultati alle 10:00 Pacific/1pm Eastern, il 29 giugno.
Giuseppe Lazio. Credito immagine: Caltech
“Abbiamo un nuovo modo di sondare ciò che accade quando i mostruosi buchi neri al centro delle galassie iniziano una lenta ma inesorabile spirale mortale”, afferma Joseph Lazio, membro del team NANOGrav, scienziato principale presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL), e un socio in visita in astronomia al Caltech, che gestisce il JPL per la NASA.
“Pensiamo che questo processo sia standard per molte galassie e abbiamo visto molti esempi in vari passaggi, ma finalmente stiamo iniziando a intravedere uno dei passaggi finali chiave”.
Le onde gravitazionali furono proposte per la prima volta da Albert Einstein nel 1916, ma non furono rilevate direttamente fino a circa 100 anni dopo, quando il LIGO finanziato dalla NSF raccoglieva le onde da una coppia di lontani buchi neri in collisione.
Patrick Mayers. Credito immagine: Caltech
LIGO rileva le onde gravitazionali che sono molto più alte in frequenza rispetto a quelle registrate da NANOGrav (il nome di NANOGrav deriva dal fatto che rileva onde gravitazionali a frequenza più bassa nella gamma dei nanohertz, cioè un ciclo ogni pochi anni).
Le onde gravitazionali a frequenza più alta provengono da coppie più piccole di buchi neri che sfrecciano rapidamente l’una intorno all’altra negli ultimi secondi prima che si scontrino, mentre si pensa che le onde a frequenza più bassa siano generate da enormi buchi neri nel cuore delle galassie, fino a miliardi di volte la massa del nostro sole, che si muovono lentamente intorno a ciascuno e hanno milioni di anni prima di fondersi.
Nei nuovi studi, si pensa che NANOGrav abbia captato un ronzio collettivo di onde gravitazionali da molte coppie di buchi neri supermassicci che si fondono in tutto l’universo.
Michele Vallisneri. Credito immagine: Caltech
“Le persone confrontano questo segnale con qualcosa di più di un mormorio di sottofondo rispetto alle grida che LIGO raccoglie”, spiega Chatziioannou, che è anche un membro del team LIGO e William H. Hurt Scholar.
“È come se fossi a un cocktail party e non riesci a distinguere una singola voce. Sentiamo solo il rumore di fondo”, afferma Patrick Meyers, membro del team NANOGrav e ricercatore associato post-dottorato presso Caltech, che ha contribuito a condurre test statistici sui risultati.
La rete di pulsar di NANOGrav è anche conosciuta come pulsar-timing array. Le pulsar, che si sono formate dalle esplosioni di stelle massicce, emettono raggi di luce che ruotano rapidamente a intervalli molto precisi.
“Questi sono come fari che passano a un ritmo regolare. Puoi prevedere i tempi fino a un livello di decine di nanosecondi. In alcuni casi hanno lo stesso livello di precisione degli orologi atomici”, afferma Meyers.
Quando le onde gravitazionali viaggiano attraverso il cosmo, allungano e comprimono leggermente il tessuto dello spaziotempo.
Il Green Bank Telescope in West Virginia faceva parte del gruppo di telescopi per osservare le pulsar, un residuo ultra denso del nucleo di una stella massiccia dopo la sua scomparsa in un’esplosione di supernova, per trovare prove di onde gravitazionali a bassa frequenza. Credito immagine: Jay Young per Green Bank Observatory
Questo allungamento e compressione può far variare minuziosamente la distanza tra la Terra e una data pulsar, il che si traduce in ritardi o anticipi nella tempistica dei lampi di luce delle pulsar. Per cercare il ronzio di fondo delle onde gravitazionali, il team scientifico ha sviluppato programmi software per confrontare i tempi delle coppie di pulsar nella loro rete.
Le onde gravitazionali sposteranno questa tempistica in gradi diversi a seconda di quanto sono vicine le pulsar al cielo, uno schema calcolato per la prima volta teoricamente da Ron Hellings e George Downs al JPL nei primi anni ’80.
“Immagina tante increspature su un oceano da coppie di buchi neri supermassicci sparsi ovunque”, dice Lazio. “Ora, siamo seduti qui sulla Terra, che agisce come una boa insieme alle pulsar, e proviamo a misurare come le increspature stanno cambiando e facendo muovere le altre boe verso di noi e lontano da noi.”
“Per stuzzicare lo sfondo delle onde gravitazionali, abbiamo dovuto inchiodare una moltitudine di effetti confusi, come il moto delle pulsar, le perturbazioni dovute agli elettroni liberi nella nostra galassia, le instabilità degli orologi di riferimento negli osservatori radio , e persino la posizione precisa del centro del sistema solare, che abbiamo determinato con l’aiuto delle missioni Juno e Cassini della NASA”, afferma Michele Vallisneri, membro del team NANOgrav, ricercatore senior al JPL e visiting associate in astrofisica teorica al Caltech.
I futuri risultati di NANOGrav includeranno il telescopio canadese CHIME, che ha aderito al progetto nel 2019. Array sinottico profondo-2000o DSA-2000, una serie di 2.000 antenne radio progettate per essere costruite nel deserto del Nevada e iniziare le operazioni nel 2027, si uniranno alla ricerca.
Gli scienziati sperano di rispondere ai misteri sulla natura della fusione dei buchi neri supermassicci, come quanto sono comuni, cosa li unisce e quali altri fattori contribuiscono alla loro coalescenza.
“Le persone hanno cercato per anni di trovare la fusione di buchi neri supermassicci con i telescopi”, afferma Chatziioannou. “Si stanno avvicinando e trovano più candidati, ma poiché i buchi neri sono così vicini tra loro, sono difficili da distinguere. Avere le onde gravitazionali come nuovo strumento aiuterà a comprendere meglio queste bestie enigmatiche”.
“Questo è stato un esperimento così bello e improbabile: assemblare un rilevatore di onde gravitazionali di dimensioni galattiche animato dall’impulso di stelle morte attraverso la nostra galassia e riunire un team multidisciplinare di radioastronomi, esperti di stelle di neutroni e buchi neri e scienziati delle onde”, afferma Vallisneri.
Scritto da Whitney Clavin
Fonte: Caltech
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
