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Introduzione

Gli scienziati hanno utilizzato un osservatorio spaziale “a dimensione di galassia” per trovare possibili indizi di un segnale unico proveniente da onde gravitazionali, potenti increspature che percorrono l’universo e deformano il tessuto dello spazio e del tempo.

Le nuove scoperte, apparse recentemente su The Astrophysical Journal Letters, provengono da un progetto statunitense e canadese chiamato Osservatorio nordamericano Nanohertz per le onde gravitazionali (NANOGrav).

Cercare il fondo cosmico delle onde gravitazionali

Per oltre 13 anni, i ricercatori di NANOGrav hanno analizzato il flusso di luce proveniente da decine di pulsar sparse nella Via Lattea per cercare di rilevare un “fondo cosmico delle onde gravitazionali“. Questo è ciò che gli scienziati chiamano il flusso costante di radiazioni gravitazionali che, secondo la teoria, si riversa sulla Terra in modo costante. Il team non ha ancora individuato quel bersaglio, ma si sta avvicinando più che mai, ha detto Joseph Simon, astrofisico e ricercatore post-dottorato del Dipartimento di Scienze Astrofisiche e Planetarie dell’Università del Colorado Boulder e autore principale del nuovo articolo.

Abbiamo trovato un segnale forte nel nostro dataset“, ha detto Simon,. “Ma non possiamo ancora dire che questo sia fondo cosmico delle onde gravitazionali“.

Nel 2017, gli scienziati di un esperimento chiamato Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno vinto il premio Nobel per la fisica per il primo rilevamento diretto delle onde gravitazionali. Queste onde sono state create quando due buchi neri si sono scontrati tra loro a circa 130 milioni di anni luce dalla Terra, generando uno shock cosmico che si è diffuso nel nostro sistema solare.

Grafico che mostra la luce delle pulsar che viaggia verso la Terra in mezzo a un mare di onde gravitazionali. (Credits: NANOGrav/T. Klein)

Un grafico che mostra come il team di NANOGrav utilizza il telescopio figlio Terra per osservare l’arrivo della luce proveniente da diverse pulsar intorno alla galassia.

Quell’evento è stata un’esplosione violenta e di breve durata. Le onde gravitazionali che Simon e i suoi colleghi cercano, al contrario, sono più simili al ronzio costante della conversazione in un affollato cocktail party.

Rilevare quel rumore di fondo sarebbe un’importante conquista scientifica, ed aprirebbe una nuova finestra sul funzionamento dell’universo, ha aggiunto. Queste onde, ad esempio, potrebbero fornire agli scienziati nuovi strumenti per studiare come i buchi neri supermassicci al centro di molte galassie si fondono nel tempo.

Questi primi accenni interessanti di un fondo cosmico delle onde gravitazionali suggeriscono che i buchi neri supermassicci probabilmente si fondono e che siamo in un mare di onde gravitazionali che si increspano a causa delle fusioni dei buchi neri supermassicci nelle galassie dell’universo“, ha detto Julie Comerford, professore associato di astrofisica e scienza planetaria al CU Boulder e membro del team di NANOGrav.

Simon presenterà i risultati del suo team in una conferenza stampa virtuale lunedì, in occasione della 237a riunione della American Astronomical Society.

Fari galattici

Attraverso il loro lavoro su NANOGrav, Simon e Comerford fanno parte di una corsa internazionale con un’alta posta in gioco, seppur collaborativa, per trovare il background dell’onda gravitazionale. Il loro progetto si unisce ad altri due fuori dall’Europa e dall’Australia per formare una rete chiamata International Pulsar Timing Array.

Simon ha detto che, almeno secondo la teoria, la fusione delle galassie e di altri eventi cosmologici produce una costante variazione delle onde gravitazionali. Sono enormi: una singola onda, ha detto Simon, può richiedere anni o anche più tempo per passare sulla Terra. Per questo motivo, nessun altro esperimento esistente è in grado di rilevarle direttamente.

Altri osservatori cercano onde gravitazionali che sono dell’ordine dei secondi“, ha detto Simon. “Noi cerchiamo onde che sono dell’ordine degli anni o dei decenni“.

Lui e i suoi colleghi, per questo motivo, dovevano diventare creativi. Il team di NANOGrav usa i telescopi a terra non per cercare onde gravitazionali ma per osservare le pulsar. Queste stelle collassate sono i fari della galassia. Ruotano a velocità incredibilmente elevate, inviando flussi di radiazioni che sfrecciano verso la Terra in uno schema lampeggiante che rimane per lo più invariato nel corso degli eoni.

Simon ha spiegato che le onde gravitazionali alterano lo schema costante della luce proveniente dalle pulsar, strattonando o comprimendo le distanze relative che questi raggi percorrono nello spazio. Gli scienziati, in altre parole, potrebbero essere in grado di individuare lo sfondo delle onde gravitazionali semplicemente monitorando le pulsar per individuare i cambiamenti correlati nei tempi di quando arrivano sulla Terra.

Queste pulsar girano veloci come il frullatore della vostra cucina“, ha detto. “E stiamo osservando deviazioni nella loro temporizzazione di poche centinaia di nanosecondi“.

C’è qualcosa lì

Per trovare quel sottile segnale, il team di NANOGrav si sforza di osservare il maggior numero di pulsar il più a lungo possibile. Ad oggi, il gruppo ha osservato 45 pulsar per almeno tre anni e, in alcuni casi, per ben oltre un decennio.

Il duro lavoro sembra dare i suoi frutti. Nel loro ultimo studio, Simon e i suoi colleghi riferiscono di aver rilevato un segnale distinto nei loro dati: un processo comune sembra influenzare la luce proveniente da molte delle pulsar.

Abbiamo camminato attraverso ognuna delle pulsar una per una. Credo che tutti ci aspettassimo di trovarne qualcuna che fosse la più attiva e che buttasse fuori i nostri dati“, ha detto Simon. “Ma poi le abbiamo attraversate tutte, e abbiamo detto: ‘Oh mio Dio, c’è davvero qualcosa qui“.

I ricercatori non sono ancora in grado di dire con certezza cosa stia causando quel segnale. Dovranno aggiungere altre pulsar al loro set di dati e osservarle per periodi più lunghi per determinare se si tratti effettivamente il fondo cosmico dell’onda gravitazionale al lavoro.

Essere in grado di rilevare il fondo cosmico dell’onda gravitazionale sarà un passo enorme, ma questo è davvero solo il primo passo“, ha detto. “Il secondo passo è individuare le cause di quell’onde e scoprire cosa può dirci sull’universo”.

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