Credit: M. Garlick/University of Warwick/ESO

Intro: onde continue

Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo che si presentano in molte forme. Finora, segnali di onde gravitazionali di breve durata sono stati osservati in seguito a collisioni tra buchi neri o stelle di neutroni, ma gli scienziati si aspettano di trovare altri tipi di onde gravitazionali.

Una ricerca pubblicata di recente, condotta dall’ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) ha studiato le onde continue: onde gravitazionali di lunga durata, in questo caso particolare, onde provenienti da stelle di neutroni – le vecchie stelle morte – in specifici sistemi stellari chiamati low-mass X-ray binaries. I rivelatori di onde gravitazionali LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) e Virgo forniscono dati eccellenti per la ricerca di onde continue, poiché è probabile che i loro segnali siano sempre presenti nei dati del rivelatore (rispetto alle onde gravitazionali provenienti da buchi neri in collisione, che durano solo un secondo circa).

Sistemi binari a raggi X a bassa massa

Le stelle di neutroni, che sono tipicamente circa una volta e mezzo la massa del nostro Sole, sono molto compatte e soli 20 km di diametro. Alcune stelle di neutroni sono sole, mentre altre sono in “sistemi binari” (la stella di neutroni e una stella compagna orbitano l’una intorno all’altra). Il team di OzGrav si è concentrato sulla ricerca di onde continue provenienti da stelle di neutroni in rotazione in “sistemi binari a raggi X a bassa massa” (LMXBs).

La massa bassa descrive la compagna della stella di neutroni che in genere ha una massa inferiore a quella del nostro Sole; sono chiamate binarie a raggi X perché gli scienziati hanno osservato i raggi X da esse prodotti usando telescopi a raggi X.

Nello studio, il team ha cercato onde continue provenienti da stelle di neutroni in rotazione puntando direttamente cinque LMXB, che è la prima volta per queste cinque LMXB. Queste sono state osservate ai raggi X ed p stato possibile rilevare la velocità di rotazione della stella di neutroni ossia la sua frequenza di rotazione. Questa è un’informazione estremamente utile per la ricerca di onde continue, poiché ci si aspetta che la frequenza dell’onda continua sia correlata alla frequenza di rotazione della stella di neutroni. Questo ha permesso alla squadra di cercare ogni LMXB all’interno di una specifica gamma di frequenza.

L’autrice principale e ricercatrice OzGrav dell’Università di Melbourne Hannah Middleton dice: “Abbiamo usato un metodo di ricerca, sviluppato dai ricercatori dell’Università di Melbourne, che è stato precedentemente utilizzato per cercare un altro LMXB chiamato Scorpius X-1. Scorpius X-1 è una promettente sorgente di onde continue, perché i suoi raggi X sono molto luminosi, ma le osservazioni a raggi X non sono state in grado di misurare la frequenza di rotazione di Scorpius X-1. Ciò significa che è necessario guardare un’ampia gamma di frequenze. Sfruttando le misurazioni a raggi X della frequenza di rotazione per i nostri cinque LMXB, possiamo ridurre il costo computazionale della ricerca, a volte anche del 99 per cento”.

Ma conoscere la frequenza di rotazione non è sufficiente: la frequenza d’onda continua può non essere uguale alla frequenza di rotazione, quindi il team ha cercato piccoli intervalli di frequenza intorno ai valori misurati.

La frequenza d’onda continua potrebbe anche cambiare lentamente nel tempo, quindi dobbiamo essere in grado di tracciarla e raccogliere dati per molti mesi“, aggiunge Middleton. “La ricerca utilizza una tecnica chiamata modello di Markov nascosto che è ampiamente utilizzata in applicazioni che vanno dal riconoscimento vocale alle tecnologie di comunicazione. La ricerca risultante può tenere traccia di un segnale anche se la frequenza cambia in modo imprevedibile durante un’osservazione“.

Quindi, cosa hanno trovato gli scienziati?

Dopo aver analizzato i dati della seconda sessione di osservazione (oltre 200 giorni tra novembre 2016 e agosto 2017), sfortunatamente non hanno trovato forti prove di segnali a onda continua provenienti da questi cinque LMXB.
Ma la ricerca continua!

La terza sessione di osservazione di LIGO e Virgo (da aprile 2019 a marzo 2020) è appena terminata, quindi gli scienziati di OzGrav hanno un sacco di dati da analizzare e numerose stella in cui cercare.

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