L'onda gravitazionale è stata rilevata direttamente per la prima volta nel 2015 dopo un secolo dalla sua previsione da parte della Teoria della Relatività Generale di Einstein nel 1916. Ma il Fondo di Onde Gravitazionali (GWB) continuo e a bassa frequenza che si pensa sia presente in tutto l'universo ha non è stato rilevato direttamente finora. I ricercatori del North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) hanno recentemente segnalato il rilevamento di un segnale a bassa frequenza che potrebbe essere "Gravitational-wave Background (GWB)".
La teoria della relatività generale proposta da Einstein nel 1916 prevede che i principali eventi cosmici come la supernova o la fusione di buchi neri dovrebbe produrre onde gravitazionali che si propagano attraverso l'Universo. La Terra dovrebbe essere sempre inondata di onde gravitazionali da tutte le direzioni, ma queste non vengono rilevate perché diventano estremamente deboli quando raggiungono la Terra. Ci è voluto circa un secolo per effettuare un rilevamento diretto delle increspature gravitazionali quando nel 2015 il team LIGO-Virgo è riuscito a rilevare le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due buchi neri situati a una distanza di 1.3 miliardi di anni luce dalla Terra (1). Ciò significava anche che le increspature rilevate erano portatrici di informazioni sull'evento cosmico avvenuto circa 1.3 miliardi di anni fa.
Dal primo rilevamento nel 2015, un buon numero di increspature gravitazionali sono stati registrati fino ad oggi. La maggior parte di essi era dovuta alla fusione di due buchi neri, pochi erano dovuti alla collisione di due stelle di neutroni (2). Tutte le onde gravitazionali rilevate finora erano episodiche, causate da coppie binarie di buchi neri o stelle di neutroni che si muovono a spirale e si fondono o si scontrano tra loro (3) ed erano di alta frequenza, lunghezza d'onda corta (in millisecondi).
Tuttavia, poiché esiste la possibilità di un gran numero di sorgenti di onde gravitazionali nell'universo, quindi molte onde gravitazionali insieme da tutto l'universo possono passare continuamente attraverso la terra per tutto il tempo formando uno sfondo o un rumore. Questo dovrebbe essere continuo, casuale e di onde piccole a bassa frequenza. Si stima che una parte di esso possa anche aver avuto origine dal Big Bang. Chiamato Gravitational-wave Background (GWB), questo non è stato rilevato finora (3).
Ma potremmo essere sull'orlo di una svolta: i ricercatori del North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) hanno segnalato il rilevamento di un segnale a bassa frequenza che potrebbe essere "Gravitational-wave Background (GWB)" (4,5,6).
A differenza del team LIGO-virgo che ha rilevato l'onda gravitazionale da singole coppie di buchi neri, il team NANOGrav ha cercato onde gravitazionali persistenti, simili al rumore, "combinate" create in un periodo di tempo molto lungo da innumerevoli buchi neri nell'universo. L'attenzione si è concentrata sull'onda gravitazionale a "lunghezza d'onda molto lunga" all'altra estremità dello "spettro delle onde gravitazionali".
A differenza della luce e di altre radiazioni elettromagnetiche, le onde gravitazionali non possono essere osservate direttamente con un telescopio.
Il team NANOGrav ha scelto millisecondo pulsar (MSP) che ruotano molto rapidamente con stabilità a lungo termine. C'è un modello costante di luce proveniente da questi pulsatori che dovrebbe essere alterato dall'onda gravitazionale. L'idea era di osservare e monitorare un insieme di pulsar millisecondi ultrastabili (MSP) per i cambiamenti correlati nei tempi di arrivo dei segnali sulla Terra creando così un rivelatore di onde gravitazionali "di dimensioni galattiche" all'interno della nostra galassia. Il team ha creato un array di temporizzazione delle pulsar studiando 47 di tali pulsar. L'Osservatorio di Arecibo e il Green Bank Telescope sono stati i radiotelescopi utilizzati per le misurazioni.
Il set di dati finora ottenuto comprende 47 MSP e oltre 12.5 anni di osservazioni. Sulla base di ciò, non è possibile dimostrare in modo conclusivo il rilevamento diretto di GWB sebbene i segnali a bassa frequenza rilevati lo indichino molto. Forse, il prossimo passo sarebbe includere più pulsar nell'array e studiarle per un periodo di tempo più lungo per migliorare la sensibilità.
Per studiare l'universo, gli scienziati dipendevano esclusivamente dalle radiazioni elettromagnetiche come luce, raggi X, onde radio, ecc. Essendo completamente estraneo alla radiazione elettromagnetica, il rilevamento della gravità nel 2015 ha aperto una nuova finestra di opportunità agli scienziati per studiare i corpi celesti e comprendere il universo specialmente quegli eventi celesti che sono invisibili agli astronomi elettromagnetici. Inoltre, a differenza della radiazione elettromagnetica, le onde gravitazionali non interagiscono con la materia, quindi viaggiano praticamente senza ostacoli portando informazioni sulla loro origine e sorgente prive di distorsioni.(3)
Il rilevamento del fondo dell'onda gravitazionale (GWB) amplierebbe ulteriormente l'opportunità. Potrebbe persino diventare possibile rilevare le onde generate dal Big Bang che potrebbero aiutarci a capire l'origine dell'universo in un modo migliore.
***
Riferimenti:
- Castelvecchi D. e Witze A.,2016. Trovate finalmente le onde gravitazionali di Einstein. Notizie Natura 11 febbraio 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361
- Castelvecchi D., 2020. Cosa rivelano 50 eventi di onde gravitazionali sull'Universo. Notizie sulla natura Pubblicato il 30 ottobre 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0
- LIGO 2021. Sorgenti e tipi di onde gravitazionali. Disponibile online su https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Consultato il 12 gennaio 2021.
- Collaborazione NANOGrav, 2021. NANOGrav trova possibili "primi suggerimenti" sullo sfondo di onde gravitazionali a bassa frequenza. Disponibile online su http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Consultato il 12 gennaio 2021
- Collaborazione NANOGrav 2021. Press briefing – Alla ricerca dello sfondo dell'onda gravitazionale in 12.5 anni di dati NANOGrav. 11 gennaio 2021. Disponibile online su http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf
- Arzoumanian Z., et al 2020. Il set di dati NANOGrav 12.5 anni: ricerca di uno sfondo di onde gravitazionali stocastiche isotrope. The Astrophysical Journal Letters, Volume 905, Number 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401
***
