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

Nel 2015, le onde gravitazionali sono state rilevate direttamente per la prima volta, un secolo dopo la loro previsione da parte della Teoria della Relatività Generale di Einstein nel 1916. Tuttavia, il fondo gravitazionale continuo a bassa frequenza (GWB), che si ritiene sia presente in tutto l' universo , non è stato finora rilevato direttamente. 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 il "fondo gravitazionale (GWB)".

La teoria generale della relatività, formulata da Einstein nel 1916, prevede che i principali eventi cosmici, come le supernove o la fusione di buchi neri, debbano produrre onde gravitazionali che si propagano nell'Universo . La Terra dovrebbe essere costantemente attraversata da onde gravitazionali provenienti da tutte le direzioni, ma queste non vengono rilevate perché si indeboliscono notevolmente prima di raggiungerla. Ci è voluto circa un secolo per effettuare una rilevazione diretta delle onde gravitazionali, finché 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 onde rilevate erano portatrici di informazioni sull'evento cosmico avvenuto circa 1.3 miliardi di anni fa.

Dalla prima rilevazione nel 2015, un buon numero di increspature gravitazionali sono state registrate fino ad oggi. La maggior parte di esse erano dovute alla fusione di due buchi neri , alcune erano dovute alla collisione di due stelle di neutroni ⁽²⁾ . Tutte le onde gravitazionali rilevate finora erano episodiche, causate da una coppia binaria di buchi neri o stelle di neutroni che spiraleggiavano e si fondevano o si scontravano tra loro ⁽³⁾ ed erano ad alta frequenza, lunghezza d'onda corta (nell'ordine dei millisecondi).

Tuttavia, poiché esiste la possibilità di un gran numero di sorgenti di onde gravitazionali nell'universo , molte onde gravitazionali provenienti da tutto l' universo potrebbero attraversare continuamente la Terra in ogni momento, formando un rumore di fondo. Questo dovrebbe essere continuo, casuale e a bassa frequenza, di piccola entità. Si stima che una parte di esso possa addirittura avere avuto origine dal Big Bang. Chiamato Fondo di onde gravitazionali (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 onde gravitazionali provenienti da singole coppie di buchi neri , il team NANOGrav ha cercato onde gravitazionali persistenti, simili a rumore, "combinate" , create nel corso di lunghissimi periodi di tempo da innumerevoli buchi neri nell'universo . L'attenzione si è concentrata sulle onde gravitazionali 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 le pulsar millisecondo (MSP), che ruotano molto rapidamente e presentano una stabilità a lungo termine. Da queste pulsar proviene un flusso luminoso costante che dovrebbe essere alterato dalle onde gravitazionali. L'idea era di osservare e monitorare un insieme di pulsar millisecondo (MSP) ultra-stabili per individuare variazioni correlate nella tempistica 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 queste pulsar. L'Osservatorio di Arecibo e il Telescopio di Green Bank 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 estranee alle radiazioni elettromagnetiche, la rilevazione delle onde gravitazionali nel 2015 ha aperto una nuova finestra di opportunità per gli scienziati per studiare i corpi celesti e comprendere l' universo , in particolare quegli eventi celesti che sono invisibili agli astronomi elettromagnetici. Inoltre, a differenza delle radiazioni elettromagnetiche, le onde gravitazionali non interagiscono con la materia e quindi viaggiano praticamente senza ostacoli trasportando informazioni sulla loro origine e sorgente senza alcuna distorsione. ⁽³⁾

La rilevazione del fondo di onde gravitazionali (GWB) amplierebbe ulteriormente le opportunità. Potrebbe persino diventare possibile rilevare le onde generate dal Big Bang, il che potrebbe aiutarci a comprendere meglio l'origine dell'universo .

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DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2101121

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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  

2. 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  

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

4. 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 

5. 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  

6. 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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