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Sfondo di onde gravitazionali (GWB): una svolta nel rilevamento diretto

Onda gravitazionale è stato rilevato 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 continuo, a bassa frequenza di gravitazione-wave Background (GWB) che si ritiene sia presente in tutto il file universo non è stato rilevato direttamente finora. I ricercatori del North American Nanohertz Observatory Onde gravitazionali (NANOGrav) hanno recentemente segnalato il rilevamento di un segnale a bassa frequenza che potrebbe essere un "fondo di onde gravitazionali (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 il Universo. La Terra dovrebbe esserne inondata onde gravitazionali da tutte le direzioni in ogni momento, ma questi non vengono rilevati perché diventano estremamente deboli nel momento in cui raggiungono la terra. Ci è voluto circa un secolo per effettuare una rilevazione diretta delle increspature gravitazionali quando nel 2015 il team LIGO-Virgo è riuscito a rilevare onde gravitazionali prodotto a causa della fusione di due buchi neri situato 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 erano dovuti alla fusione di due buchi neri, pochi erano dovuti alla collisione di due stelle di neutroni (2). Tutto rilevato onde gravitazionali finora erano episodici, causati dalla coppia binaria 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 fonti di onde gravitazionali nel universo quindi molti onde gravitazionali insieme da tutto il universo può passare continuamente attraverso la terra formando uno sfondo o un rumore. Questa dovrebbe essere continua, casuale e di piccola onda a bassa frequenza. Si stima che una parte di esso possa addirittura aver avuto origine dal Big Bang. Chiamato di gravitazione-wave Background (GWB), questo non è stato rilevato finora (3).  

Ma potremmo essere sull’orlo di una svolta – sostengono i ricercatori del North American Nanohertz Observatory Onde gravitazionali (NANOGrav) hanno segnalato il rilevamento di un segnale a bassa frequenza che potrebbe essere un "fondo di onde gravitazionali (GWB)" (4,5,6).  

A differenza del team LIGO-virgo che ha rilevato onda gravitazionale da singole coppie di buchi neri, il team NANOGrav ha cercato persistenti, simili a rumori, "combinati" onda gravitazionale creato in un periodo di tempo molto lungo da innumerevoli buchi neri nel universo. L'attenzione si è concentrata sulla "lunghezza d'onda molto lunga" onda gravitazionale 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 uno schema 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 ultrastabili al millisecondo (MSP) per i cambiamenti correlati nei tempi di arrivo dei segnali sulla Terra, creando così un "galassiarilevatore di onde gravitazionali di piccole dimensioni all'interno del nostro galassia. Il team ha creato un sistema di temporizzazione delle pulsar studiando 47 di tali pulsar. L'Osservatorio di Arecibo e il Green Bank Telescope erano i radio telescopi 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 il universo, gli scienziati dipendevano esclusivamente dalle radiazioni elettromagnetiche come la luce, i raggi X, radio onda ecc. Essendo completamente estraneo alla radiazione elettromagnetica, il rilevamento dell'onda gravitazionale nel 2015 ha aperto una nuova finestra di opportunità agli scienziati per studiare i corpi celesti e comprenderne i fenomeni. universo soprattutto 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 trasportando informazioni sulla loro origine e fonte senza alcuna distorsione.(3)

La rilevazione del fondo delle onde gravitazionali (GWB) amplierebbe ulteriormente le opportunità. Potrebbe anche diventare possibile rilevare le onde generate dal Big Bang, il che potrebbe aiutarci a capirne l'origine universo in un modo migliore.

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Riferimenti:  

  1. 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  
  1. 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  
  1. LIGO 2021. Sorgenti e tipi di onde gravitazionali. Disponibile online su https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Consultato il 12 gennaio 2021. 
  1. 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 
  1. 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  
  1. 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  

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Giornalista scientifico | Editore fondatore della rivista scientifica europea

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