Gli scienziati hanno trovato prove di uno sfondo universale di onde gravitazionali e increspature nel tessuto dello spazio-tempo.
Il movimento dei buchi neri e di altri oggetti massicci attraverso lo spazio può creare increspature nel tessuto dell’universo, chiamate onde gravitazionali. Il 28 giugno gli scienziati hanno annunciato di aver osservato uno sfondo universale di onde gravitazionali di grande lunghezza d’onda che riempie il cosmo nel tessuto dello spazio-tempo. Si pensa che queste onde siano state create nel corso di eoni da buchi neri supermassicci, fino a miliardi di volte la massa del nostro Sole, che girano l’uno intorno all’altro prima di fondersi. Rilevare questo sfondo di onde gravitazionali è analogo a sentire il ronzio di un folto gruppo di persone che parlano a una festa, senza distinguere alcuna voce particolare.
Le increspature di fondo rilevate da NANOGrav potrebbero aiutare gli scienziati a capire meglio come vengono create le onde gravitazionali e cosa accade loro mentre si propagano attraverso l’universo. Potrebbero anche essere usati per studiare fusioni di buchi neri supermassicci, eventi che possono durare milioni di anni. Gli scienziati pensano che queste fusioni avvengano nella maggior parte delle galassie e influenzino la loro evoluzione.
Le onde gravitazionali
I risultati, riportati in una serie di articoli su The Astrophysical Journal Letters, provengono da 15 anni di osservazioni effettuate dal North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) e di 190 scienziati provenienti da Stati Uniti e 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 pulsar che hanno agito come una rete di boe che galleggiano su un lento mare di onde gravitazionali.
L’effetto delle onde gravitazionali sulle pulsar è estremamente debole e difficile da rilevare, ma nel corso degli anni la continua raccolta di dati ha portato i suoi frutti. C’è ora un nuovo modo di sondare ciò che accade quando i mostruosi buchi neri nei nuclei delle galassie iniziano una lenta ma inesorabile spirale mortale. Si ritiene che questo processo sia standard per molte galassie e sono stati osservati visto molti esempi in vari passaggi. Finalmente stiamo iniziando a intravedere uno dei passaggi più importanti.
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 l’interferometro LIGO raccolse nel 2015 le onde da una coppia di lontani buchi neri in collisione. LIGO rileva le onde gravitazionali che hanno una frequenza molto più elevata di quelle registrate da NANOGrav (il nome di NANOGrav deriva dal fatto che rileva onde gravitazionali a frequenza inferiore nell’intervallo dei nanohertz, ovvero un ciclo ogni pochi anni).
Le onde gravitazionali a frequenza più alta provengono da coppie più piccole di buchi neri che sfrecciano rapidamente l’uno intorno all’altro 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.
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Uno sfondo universale
Nei nuovi studi, si ritiene che NANOGrav abbia captato un ronzio collettivo di onde gravitazionali da molte coppie di buchi neri supermassicci che si fondono in tutto l’universo. È un po’ come sentire il rumore di sottofondo collettivo quando ci si trova a una festa, LIGO invece è più incentrato ad ascoltare qualcuno che urla.
La rete di pulsar osservata da 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 che in alcuni casi hanno lo stesso livello di precisione degli orologi atomici.
Quando le onde gravitazionali viaggiano attraverso il cosmo, allungano e comprimono leggermente il tessuto dello spaziotempo. 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. È come essere su un oceano di increspature creato da coppie di buchi neri supermassicci sparsi ovunque. Noi siamo seduti qui sulla Terra, che agisce come una boa insieme alle pulsar, e proviamo a misurare come le increspature stanno cambiando e facendo sì che le altre boe si avvicinino e si allontanino da noi.
Per osservare questo sfondo di onde gravitazionali, i tecnici hanno dovuto escludere una moltitudine di effetti che potevano confondere, come il moto stesso 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, determinata con l’aiuto delle missioni Juno e Cassini della NASA.
I futuri risultati di NANOGrav includeranno il telescopio canadese CHIME, che ha aderito al progetto nel 2019. Anche il Deep Synoptic Array-2000, o DSA-2000, di Caltech, un array di 2.000 antenne radio pianificato per essere costruito nel deserto del Nevada e iniziare le operazioni nel 2027, farà parte della 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.
