Svelate per la prima volta le super onde gravitazionali

Questo articolo è la traduzione di una storia pubblicata in inglese su Nature il 29 giugno.

Le onde gravitazionali sono tornate, più grandi che mai.

Dopo la storica prima rilevazione di onde gravitazionali nel 2015 tramite osservatori terrestri, i ricercatori potrebbero ora aver scoperto nuovamente le onde previste da Albert Einstein con una tecnica completamente diversa. Il metodo studia i cambiamenti nelle distanze tra la Terra e alcune stelle nella parte vicina della galassia, chiamate pulsar, che rivelano come lo spazio tra noi ed esse venga deformato dal passaggio delle onde gravitazionali.

Mentre la scoperta originale aveva individuato onde originate dalla collisione e fusione di due buchi neri di dimensioni simili a quelle di stelle, la fonte più probabile dell'ultima scoperta è il segnale combinato di molte coppie di buchi neri decisamente più grandi - milioni o addirittura miliardi di volte la massa del Sole - che orbitano lentamente l'uno intorno all'altro nel cuore di galassie lontane. Queste onde sono migliaia di volte più forti e più lunghe di quelle rilevate nel 2015, con lunghezze d'onda fino a decine di anni luce. Al contrario, le increspature rilevate dal 2015 con una tecnica chiamata interferometria sono lunghe solo decine o centinaia di chilometri.

"Possiamo dire che la Terra si sta muovendo a causa delle onde gravitazionali che spazzano la nostra Galassia", afferma Scott Ransom, astrofisico presso l'US National Radio Astronomy Observatory di Charlottesville, in Virginia, e membro senior di NANOGrav, una delle quattro collaborazioni che hanno annunciato separatamente i risultati il 29 giugno¹-⁴.

"Non stiamo ancora usando la parola ‘scoperta’", dice Ransom. "Ma pensiamo di avere prove solide". Secondo Ransom e altri, ogni gruppo ha visto segni di quella che ci si aspetterebbe essere una firma dalle onde gravitazionali, ma senza la certezza statistica di una scoperta definitiva. I ricercatori ora metteranno insieme i loro dati per verificare se, una volta sommati, possano raggiungere quella soglia.

"Se la scoperta sarà confermata, avremo di fronte 20 anni di lavoro per studiare questo nuovo segnale di fondo", dice Monica Colpi, che studia la teoria delle onde gravitazionali e dei buchi neri all'Università di Milano-Bicocca. "Metterà al lavoro un esercito di astrofisici".

Catturare un'onda

Tre diverse collaborazioni hanno accumulato decenni di dati sulle pulsar e stanno ora avendo risultati simili: il gruppo nordamericano NANOGrav, l'European Pulsar Timing Array (in cui sono coinvolti l'Istituto Nazionale di Astro Fisica e l'Università di Milano Bicocca), con il contributo di astronomi indiani, e il Parkes Pulsar Timing Array in Australia. Una quarta collaborazione, il Chinese Pulsar Timing Array, afferma di aver trovato un segnale con soli tre anni di dati, grazie all'eccezionale sensibilità del Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST), inaugurato nel 2016 nella regione di Guizhou.

Keija Lee, radioastronomo della Peking University di Pechino che ha guidato lo studio del FAST, spiega di non essere rimasto dal risultato4. "I miei calcoli sulla sensibilità alle onde gravitazionali dell'osservazione FAST risalgono al 2009, quando ero uno studente di dottorato".

Tutti i gruppi utilizzano enormi radiotelescopi per monitorare le pulsar "millisecondo". Si tratta di stelle di neutroni incredibilmente dense che emettono onde radio dai loro poli magnetici. Ogni volta che una pulsar ruota sul proprio asse, il suo segnale radio entra ed esce dalla linea di vista della Terra, dando luogo a un impulso con intervalli regolari. Le pulsar millisecondo sono quelle che ruotano più velocemente, fino a diverse centinaia di volte al secondo.

"Possiamo usarle come orologi", spiega Andrew Zic, radioastronomo presso l'Australia Telescope National Facility di Sydney e autore principale dell'articolo di Parkes³. Lievi variazioni nell'orario di arrivo dei segnali di una pulsar possono significare che lo spazio tra la stella e la Terra è stato alterato dal passaggio di un'onda gravitazionale.

La tempistica di una singola pulsar non sarebbe abbastanza affidabile per rilevare le onde gravitazionali. Ma ogni collaborazione ne monitora diverse decine. Questo ha permesso di rivelare una firma caratteristica chiamata curva di Hellings-Downs, la quale prevede che, in presenza di onde gravitazionali provenienti da tutte le direzioni, la correlazione tra coppie di pulsar vari in funzione della loro separazione nel cielo. NANOGrav ha individuato per primo il segnale1 e lo ha comunicato ai colleghi nel 2020. Ma il team ha deciso di aspettare che anche le altre collaborazioni vedessero accenni della curva prima di pubblicarla.

"Vedere la curva di Hellings-Downs apparire per la prima volta è stato un momento bellissimo", dice Chiara Mingarelli, astrofisica delle onde gravitazionali presso l'Università di Yale a New Haven, Connecticut, e membro di NANOGrav. "Non mi stanco mai di vederlo".

Alberto Vecchio, astrofisico dell'Università di Birmingham, Regno Unito, e membro del team europeo, racconta che la sua prima reazione quando ha visto i risultati del suo gruppo2 è stata: "Diamine, c’è qualcosa di interessante qui".

Una lunga partita

Einstein previde per la prima volta le onde gravitazionali nel 1916. Il 14 settembre 2015, i due rilevatori gemelli del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Louisiana e nello Stato di Washington hanno confermato la sua previsione rilevando un'esplosione di onde causata dalla fusione di due buchi neri. Da allora i fisici hanno osservato onde gravitazionali legate a decine di eventi di questo tipo.

Se quest’ultimo segnale proviene davvero dalle onde gravitazionali combinate di migliaia di coppie di buchi neri supermassicci nell'Universo, sarebbe la prima prova diretta dell'esistenza di questi sistemi binari e del fatto che alcuni hanno orbite abbastanza strette da produrre onde misurabili. Secondo Colpi, una delle principali implicazioni è che queste coppie finiranno per fondersi, creando esplosioni simili a quelle osservate da LIGO, ma su scala molto più ampia. I segnali di alcune di queste collisioni potranno essere rilevati nello spazio dalla Laser Interferometer Space Antenna (LISA), una missione dell'Agenzia Spaziale Europea il cui lancio è previsto per il 2030.

I ricercatori sperano di riuscire prima o poi ad andare oltre la curva di Hellings-Downs per distinguere i segnali di singole coppie di buchi neri supermassicci abbastanza vicine alla nostra Galassia - e quindi abbastanza rumorose, in termini di onde gravitazionali - da distinguersi dal segnale di fondo. "Per vedere una sorgente isolata, deve essere molto forte", dice Vecchio.

Ma per ora non si possono escludere altre origini di queste onde, tra cui un possibile rumore gravitazionale residuo del Big Bang.

"È stata una lunga partita che ha richiesto molta pazienza", dice Zic. "Ora stiamo davvero iniziando ad aprire una finestra su questa parte a bassissima frequenza dello spettro delle onde gravitazionali ".