Onde gravitazionaliincrespature nel tessuto dello spazio-tempo predette da Albert Einstein più di un secolo fa, stanno permeando l’universo a basse frequenze, secondo un progetto pluriennale della National Science Foundation guidato dagli scienziati dell’Oregon State University.
I risultati appaiono in una raccolta di quattro articoli scritti da ricercatori del NANOGrav Physics Frontier Center co-diretto da Xavier Siemens, professore di fisica presso l’OSU College of Science.
La prova delle onde gravitazionali, le cui oscillazioni sono misurate in anni e decenni, è stata pubblicata questa settimana su The Astrophysical Journal Letters.
“Nella costante ricerca di far progredire la conoscenza e la comprensione umana, questo è un passo davvero importante lungo il viaggio”, ha affermato Siemens.
NANOGrav, che sta per Osservatorio nanohertz nordamericano per le onde gravitazionaliè una collaborazione internazionale di quasi 200 ricercatori di astrofisica la cui missione sta usando la temporizzazione delle pulsar radio per la ricerca di onde gravitazionali a bassa frequenza.
Xavier Siemens, a sinistra, e Jeffrey Hazboun dell’OSU College of Science.
Rilevare un “coro” di onde gravitazionali a bassa frequenza, come ha fatto NANOGrav, è una chiave per svelare i misteri di come si formano le strutture nel cosmo, ha detto l’astrofisico dell’OSU Jeff Hazboun.
“Abbiamo aperto questa nuova area dello spettro per le onde gravitazionali”, ha detto Hazboun. “Abbiamo visto onde a bassa frequenza, da una parte completamente diversa dello spettro, il che ci dice che sono un fenomeno fisico onnipresente e che possiamo cercarle ovunque”.
Le onde gravitazionali sono state osservate per la prima volta nel 2015 dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, o LIGO.
La scoperta di quelle onde, con frequenze di circa 100 cicli al secondo, fu un evento fondamentale per la fisica e l’astronomia. Ha confermato una delle principali previsioni della teoria della relatività di Einstein e ha guadagnato un premio Nobel per la fisica per i fondatori di LIGO.
Le pulsar sono i resti in rapida rotazione di stelle massicce esplose come supernove. Inviano impulsi di onde radio con estrema regolarità e un gruppo di essi è noto come pulsar timing array, o PTA.
Siemens ha affermato che sessantotto pulsar sono state utilizzate per raccogliere prove che la galassia della Via Lattea è inondata da un mare di onde gravitazionali a bassa frequenza.
La teoria della relatività generale di Einstein del 1915 prevedeva in che modo le onde gravitazionali avrebbero dovuto influenzare i segnali delle pulsar: allungando e comprimendo il tessuto del tempo-spazio, le onde gravitazionali dovrebbero alterare la tempistica di ciascun impulso in modo prevedibile, ritardando alcuni impulsi mentre ne accelerano altri.
“Il gran numero di pulsar utilizzate nell’analisi NANOGrav ci ha permesso di vedere quelli che pensiamo siano i primi segni del modello di correlazione previsto dalla relatività generale”, ha detto Siemens. “Possiamo usare quelle pulsar come orologi sparsi nel cielo e possiamo vedere come il ticchettio degli orologi cambia dalle onde gravitazionali che attraversano la nostra galassia”.
NANOGrav è iniziato nel 2007 e otto anni dopo è stato lanciato come Physics Frontier Center con una sovvenzione di 14,5 milioni di dollari dalla National Science Foundation quando Siemens era all’Università del Wisconsin-Milwaukee.
Siemens è entrata a far parte dell’OSU nel 2019 e due anni dopo la NSF ha assegnato a NANOGrav altri 17 milioni di dollari in cinque anni per la ricerca di segnali di onde gravitazionali con il Green Bank Telescope in West Virginia, il Very Large Array nel New Mexico e l’Osservatorio di Arecibo a Porto Rico.
Siemens ha affermato che OSU riceve circa $ 600.000 all’anno in finanziamenti NANOGrav, con l’analisi dei dati che è il ruolo principale dell’Oregon State oltre alla leadership e all’amministrazione del progetto.
Co-diretto da Maura McLaughlin, astronoma della West Virginia University, NANOGrav combina gli sforzi dei ricercatori di 18 università, tra cui circa 20 studenti laureati e universitari dell’Oregon State.
“Cercare le onde gravitazionali è come mettere insieme un puzzle: ognuno ha il proprio pezzo ma tutti si incastrano”, ha detto Phia Morton di Bend, laureando in fisica applicata e ingegneria nucleare. “È un malinteso comune che le scoperte scientifiche provengano da un genio solitario. Al contrario, i progetti scientifici su larga scala richiedono un’enorme quantità di collaborazione e affinché tutti i soggetti coinvolti credano negli obiettivi del gruppo”.
Morton e altri studenti dell’OSU contribuiscono alla ricerca di nuove pulsar da aggiungere all’array di NANOGrav; più pulsar ha a disposizione, più sensibile può essere il rilevamento dell’onda gravitazionale, spiega.
“Le pulsar sono in realtà sorgenti radio molto deboli, quindi abbiamo bisogno di migliaia di ore all’anno sui più grandi telescopi del mondo per eseguire questo esperimento”, ha detto McLaughlin. “Questi risultati sono resi possibili grazie al continuo impegno della National Science Foundation nei confronti di questi osservatori radio eccezionalmente sensibili”.
I ricercatori di LIGO, anch’essi una collaborazione internazionale finanziata dalla NSF, nel 2015 hanno rilevato onde gravitazionali prodotte dalla collisione di due buchi neri utilizzando gli interferometri LIGO gemelli a Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington.
Le onde gravitazionali che possono essere osservate da LIGO, create da quei tipi di “binari di buchi neri”, hanno frequenze di circa 100 hertz, ha detto Hazboun.
“NANOgrav cerca onde gravitazionali con frequenze di 11 ordini di grandezza inferiori a quelle rilevate da LIGO”, ha affermato.
Siemens spiega che l’utilizzo di un PTA per rilevare un coro di segnali di onde gravitazionali da più fusioni di buchi neri super massicci – descritto come uno sfondo stocastico di onde gravitazionali – è più promettente per la comprensione dell’universo che rilevare una singola onda da un singolo binario di buco nero collisione.
“Ogni segnale è come una nota, e non stiamo solo cercando una di queste note – vogliamo sentire l’intero coro”, ha detto. “Vogliamo ascoltare il coro collettivo di tutti i binari di buchi neri supermassicci che si stanno fondendo nell’universo”.
I buchi neri supermassicci sono il tipo più grande di buchi neri, da milioni a miliardi di volte la massa del sole e risiedono nei centri delle galassie.
I ricercatori di NANOGrav affermano che gli studi futuri sui segnali inviati dai buchi neri supermassicci consentiranno agli scienziati di vedere l’universo delle onde gravitazionali attraverso una nuova finestra, offrendo informazioni sui buchi neri titanici che si fondono nei centri di galassie lontane e potenzialmente in altre fonti esotiche di bassa -onde gravitazionali di frequenza.
“Questo è solo l’inizio del nostro lavoro”, ha affermato Siemens.
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