Gli astronomi trovano un nuovo modo per rilevare le onde gravitazionali | scienza

I ricercatori hanno trovato un nuovo modo per cercare le onde gravitazionali, le increspature nello spaziotempo causate da enormi oggetti celesti che esplodono, vorticano o si fondono. I fisici hanno rilevato le onde per la prima volta nel 2015 con rivelatori laser e altri scienziati le hanno inseguite con radiotelescopi basati sulla Terra. Ora, la caccia si è spostata nello spazio. Un nuovo studio rivela che i dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi possono, in teoria, percepire anche un’onda che passa. La tecnica non è sufficientemente accurata per effettuare un rilevamento effettivo, sta già aiutando altri ricercatori ad affinare le loro analisi.

Scoprire che Fermi poteva farlo “è stata una grande sorpresa per noi”, afferma il leader del team Matthew Kerr, astronomo di raggi gamma presso il Naval Research Laboratory. Quando il telescopio è stato lanciato quasi 14 anni fa, “questo era così lontano dal radar”.

Le onde gravitazionali, previste dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein, si verificano quando masse immense, come buchi neri o neutroni, i nuclei densi di stelle bruciate, si muovono violentemente, vorticando e schiantandosi l’una contro l’altra. Dal 2015, due grandi rivelatori terrestri, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti e il Virgo in Europa, hanno rilevato dozzine di fusioni di buchi neri e una singola coppia di stelle di neutroni. I rivelatori sparano laser attraverso tubi a vuoto lunghi un chilometro. Quando un’onda passa, altera la lunghezza del tubo di appena 1/10.000 della larghezza di un protone, che i laser rilevano.

I radioastronomi cercano prede più grandi di LIGO e Virgo: cercano megamerger, l’unione di buchi neri supermassicci che pesano miliardi di Soli ciascuno. Tali buchi neri si nascondono al centro delle galassie; quando due galassie si fondono, si pensa che i buchi neri orbitino strettamente l’uno intorno all’altro e si uniscano lentamente. I telescopi convenzionali non individueranno mai una coppia del genere in una galassia lontana, afferma la teorica delle onde gravitazionali Chiara Mingarelli dell’Università del Connecticut, Storrs. Le onde gravitazionali “potrebbero essere l’unica prova che vedremo mai”.

Poiché le onde prodotte da un tale duo a spirale sono lunghe – un ciclo impiega anni per passare – catturarle richiede una rete in tutta la galassia. Invece di usare laser e tubi a vuoto, i radioastronomi si rivolgono alle pulsar, stelle di neutroni che emettono radiazioni dai loro poli. Mentre ruotano, quella radiazione si diffonde nel cielo come il raggio di un faro sovralimentato. Sulla Terra, gli astronomi vedono lampi centinaia di volte al secondo provenienti da alcune pulsar, che arrivano regolarmente come i ticchettii di un orologio atomico. Un’onda gravitazionale che passa altererà leggermente la distanza tra una pulsar e la Terra, quindi monitorando i tempi di arrivo degli impulsi da una raccolta di pulsar attraverso la Via Lattea nel corso di molti anni, nota come pulsar timing array (PTA), gli astronomi sperano di rilevare leggere variazioni che segnalano il passaggio delle onde gravitazionali.

L’anno scorso, utilizzando i dati raccolti in più di una dozzina di anni, i team PTA in Nord America e in Europa hanno annunciato di aver raccolto deboli segnali statistici suggestivi di qualcosa noto come lo sfondo dell’onda gravitazionale, un riverbero di tutte le fusioni di buchi neri supermassicci attraverso un grande fascia dell’universo. L’analisi di qualche anno in più di dati, cosa che i team stanno facendo ora, potrebbe consolidare queste affermazioni.

E ora Fermi è entrato nella mischia. Le pulsar emettono raggi gamma, oltre al loro flusso di onde radio. Ma molti astronomi dubitavano che i loro strumenti avrebbero percepito abbastanza per rilevare le onde gravitazionali. Kerr e colleghi hanno deciso di scoprirlo. Hanno cercato in 12,5 anni di archivio di Fermi foto di raggi gamma da circa 30 pulsar adatte. A differenza delle PTA radio, che devono mirare a pulsar specifiche per brevi finestre di tempo, Fermi osserva costantemente un’ampia fascia di cielo, quindi molte pulsar sono quasi sempre in vista. Ma i fotoni nella gamma gamma sono così rari, “Fermi può guardare tutta la settimana e non vedere fotoni”, dice Kerr.

Tuttavia, il team riporta oggi in scienza, la loro ricerca nell’archivio Fermi ha prodotto abbastanza foto per realizzare una PTA a raggi gamma. Come i loro colleghi radiofonici, Kerr e il suo team non sono stati in grado di rilevare definitivamente lo sfondo dell’onda gravitazionale. Ma sono stati in grado di fissare un limite superiore al valore del loro segnale. Kerr ammette che il limite basato sulla gamma è solo circa un terzo più stretto di quelli dei PTA radio, ma migliorerà man mano che Fermi raccoglierà più dati. “Quindi, se Fermi non cade dal cielo, avremo una sensibilità paragonabile” tra 5 e 10 anni, dice.

“Questo è un articolo davvero interessante”, afferma Maura McLaughlin della West Virginia University, leader di NANOGrav, uno dei team radiofonici PTA. Sebbene lo sforzo dei raggi gamma stia ancora recuperando, può già contribuire. “Una cosa molto utile che i dati sui raggi gamma possono fare è aiutarci a capire l’effetto del mezzo interstellare”, che è una delle principali fonti di rumore nelle ricerche PTA, dice McLaughlin. Questo filo di particelle e radiazioni può piegare il percorso delle onde radio e rallentare alcune frequenze più di altre, distorcendo il segnale. Ma i raggi gamma ottengono un passaggio gratuito e, confrontando i segnali pulsar provenienti da radio e raggi gamma, i ricercatori possono comprendere meglio il rumore interstellare e potenzialmente identificare l’impronta digitale delle onde gravitazionali. I segnali dei raggi gamma sono “una misura indipendente”, afferma Mingarelli, anche lui membro del team di NANOGrav. “Si aggiunge al nostro kit di strumenti per il rilevamento delle onde gravitazionali”.

Una volta che i PTA – radio e raggi gamma – avranno identificato lo sfondo dell’onda gravitazionale, il prossimo obiettivo saranno i singoli binari di buchi neri supermassicci per scoprire come questi colossi vorticosi influenzano le galassie intorno a loro. “E’ un modo completamente nuovo di osservare l’universo”, dice Mingarelli. “Chissà cosa troveremo?”

Leave a Comment