Il tessuto di cui è costituito l’intero universo vibra di onde gravitazionali sin dall’inizio. I ricercatori hanno finalmente captato queste lontane vibrazioni cosmiche. Giovedì 28 giugno, il North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) ha captato le prime onde gravitazionali a bassa frequenza. Una svolta storica che rappresenta 15 anni di ricerca.
Non è la prima volta che l’umanità rileva le onde gravitazionali. Gli scienziati hanno rilevato queste increspature nel tessuto dello spazio utilizzando strutture come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) sin dal 2015. Ma in questo caso siamo al cospetto di una scoperta senza precedenti.
Cosa sono le onde gravitazionali?
La relatività generale di Einstein del 1915, predice che tutti gli oggetti con una massa, deformano lo spazio-tempo e la gravità nasce da questa deformazione. La teoria suggerisce anche che quando gli oggetti accelerano, dovrebbero generare increspature nello spaziotempo. Una sorta di radiazione gravitazionale nell’universo che chiamiamo onde gravitazionali.
L’effetto diventa significativo quando l’accelerazione coinvolge oggetti massicci come buchi neri e stelle di neutroni. Le onde gravitazionali, come la radiazione elettromagnetica, sono disponibili in una gamma di frequenze. Abbiamo quindi onde gravitazionali ad alta frequenza, come la luce ad alta frequenza, con lunghezze d’onda corte e più energetiche.
Le onde gravitazionali a bassa frequenza hanno lunghezze d’onda più lunghe e sono meno energetiche. Le onde lunghe a bassa frequenza hanno periodi lunghi. Il periodo è il tempo necessario tra un picco dell’onda che passa un punto prefissato e il picco successivo nello stesso punto.
Non tutte le onde gravitazionali sono uguali
La scoperta annunciata del 28 giugno, segna il primo rilevamento di onde gravitazionali a bassa frequenza. La probabile fonte di queste onde gravitazionali a bassa frequenza, potrebbero essere i buchi neri supermassicci binari nell’universo primordiale. “Questa scoperta apre una nuova finestra a bassa frequenza sull’universo gravitazionale. Studieremo come le galassie e i loro buchi neri centrali si fondono e crescono nel tempo”, ha detto l’astronomo del National Radio Astronomy Observatory (NRAO) Scott Ransom.
Mentre i buchi neri e le stelle di neutroni ruotano l’uno intorno all’altro, generano un flusso continuo e costante di onde gravitazionali a bassa frequenza. Quando vengono emesse, le onde gravitazionali portano via il momento angolare (spin) e questo fa sì che i buchi neri si avvicinino.
Più gli oggetti orbitanti sono vicini, più velocemente emettono onde gravitazionali e più alta diventa la frequenza della radiazione gravitazionale. Inoltre, più sono vicini, più rapidamente perdono momento angolare e più velocemente si muovono a spirale fino a scontrarsi e fondersi. Questa violenta collisione invia un’esplosione di onde gravitazionali ad alta frequenza che attraversano lo spazio.
NANOGrav vs LIGO e LISA
Come ci vogliono diversi telescopi per vedere diverse frequenze di luce nello spettro elettromagnetico, ci vogliono diversi rilevatori di onde gravitazionali per “sentire” diverse frequenze di questo spettro di radiazioni basate sulla gravità.
Strutture come LIGO, hanno avuto successo nel rilevare onde gravitazionali a frequenza più alta causate da collisioni tra buchi neri, stelle di neutroni e persino fusioni miste tra i due. Ma per quanto sia sensibile, LIGO e gli osservatori di onde gravitazionali sulla Terra, non possono rilevare onde gravitazionali a bassa frequenza. Anche il prossimo rilevatore di onde gravitazionali basato sullo spazio, il Laser Interferometer Space Antenna (LISA), non sarà in grado di percepire le onde gravitazionali a bassa frequenza.
Le onde gravitazionali rilevate da LIGO hanno lunghezze d’onda grandi come la Terra, con periodi che vanno da millisecondi a secondi. LISA coprirà lunghezze d’onda da milioni a miliardi di km, più o meno la distanza dalla Terra-Sole. I periodi di queste onde gravitazionali durano da secondi a ore.
Le onde gravitazionali che NANOGrav è progettato per captare sono a frequenze che hanno lunghezze d’onda sulla scala di miliardi di miliardi di km, il che le rende lunghe anni luce. E secondo NANOGrav (rif.), queste onde gravitazionali possono avere periodi di mesi, anni o addirittura decenni. Per poterle captarle, servirebbe un antenna delle dimensioni dell’intera galassia! È qui che entra la geniale idea alla base di NANOGrav.
NanoGrav e le pulsar della via Lattea
NANOGrav prende come riferimento 68 pulsar all’interno della Via Lattea in un’enorme antenna per onde gravitazionali delle dimensioni dell’intera galassia. Questo rilevatore di onde gravitazionali unico e sensibile è basato sul Pulsar Timing Array. Le pulsar si formano, quando le stelle massicce esauriscono il loro combustibile della fusione nucleare. La spinta energetica generata verso l’esterno di colpo cessa. Il nucleo, collassa sotto la propria gravità, mentre gli strati esterni vengano spazzati via in un’esplosione.
A causa della conservazione del momento angolare, la rapida riduzione del diametro, provoca anche la “rotazione verso l’alto”. Alcune stelle di neutroni ruotano fino a 700 volte al secondo! Ma il collasso dei nuclei stellari ha un’altra conseguenza. Il campo magnetico della stella originale viene schiacciato, per tale ragione le stelle di neutroni hanno alcuni dei campi magnetici più potenti dell’universo conosciuto.
Questi campi magnetici, incanalano le particelle verso i poli dove vengono espulse come getti quasi alla velocità della luce. Le pulsar sembrano lampeggiare, in realtà è il risultato della luce che questi getti creano, girando verso di noi a intervalli regolari incredibilmente precisi. Per tale ragione le pulsar possono essere utilizzate come un eccellente dispositivo di temporizzazione (rif.).
Cosa misura NanoGrav ?
Le increspature nello spaziotempo delle onde gravitazionali, dovrebbero avere un effetto visibile sulla tempistica delle pulsar. Causano una piccola differenza nel tempo di arrivo della luce da questi oggetti cosmici. Poiché l’effetto è minuscolo, gli array di temporizzazione delle pulsar, devono essere costituiti da molte pulsar ampiamente disperse che devono essere monitorate per anni.
Per NANOGrav, la pazienza ha dato i suoi frutti che ora rivela un segno dalle onde gravitazionali a bassa frequenza. “Fondamentalmente, la Terra sta leggermente oscillando su onde gravitazionali lunghe anni luce”, ha detto Ransom. “E l’abbiamo visto usando una serie di pulsar sparse nella nostra parte della Via Lattea”.
Il motivo per cui questa scoperta è importante è che ora abbiamo rilevato onde gravitazionali da fonti che non avevamo mai studiato prima. Questo rivela che l’universo primordiale era pieno di buchi neri supermassicci binari. La scoperta è importante perché gli scienziati non sono ancora sicuri di come crescano nel tempo questi titani cosmici.
Le future scoperte
“Le prove riportate da NANOGrav mostrano ancora una volta che le osservazioni delle onde gravitazionali stanno aprendo una finestra completamente nuova sull’universo”, KU Leuven, cosmologo “Nei prossimi anni, metteremo insieme l’intera storia dell’universo in grande dettaglio ascoltando il ronzio delle onde gravitazionali che attraversano il nostro pianeta. Tempi davvero entusiasmanti!”
“Con continue osservazioni, dovremmo iniziare a vedere le singole fonti come toni puri sopra questo sfondo di onde gravitazionali. Quelle fonti potrebbero essere individuate e studiate anche con le onde elettromagnetiche, un nuovo tipo di astronomia extragalattica multi-messaggero”, ha concluso Ransom. “Sono molto entusiasta di questo sviluppo! Ci lavoriamo da oltre 15 anni e non sono una persona molto paziente!”
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