Perché gli scienziati sono così entusiasti

Il 29 giugno, quattro distinti team di scienziati hanno fatto un annuncio^1–4 Il che promette di rivoluzionare l’astrofisica: hanno visto forti indizi di onde gravitazionali molto lunghe che distorcono la galassia.

Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo che si generano quando grandi masse accelerano. Sono stati rilevati per la prima volta nel 2015, ma le prove più recenti indicano increspature “mostruose” a lunghezze d’onda di 0,3 parsec (anni luce) o superiori; Le onde finora rilevate hanno lunghezze d’onda da decine a centinaia di chilometri.

Qui natura Riferisce cosa potrebbero significare queste mostruose onde gravitazionali per la nostra comprensione dell’universo e come il campo potrebbe essersi evoluto.

In che modo le onde gravitazionali appena annunciate sono diverse da quelle che gli astronomi hanno già scoperto?

Le onde gravitazionali sono state rilevate per la prima volta da due rilevatori gemelli del Laser Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Louisiana e nello Stato di Washington. Hanno sentito le increspature generate da due buchi neri entrare a spirale l’uno nell’altro e fondersi. Da allora LIGO e la sua controparte Virgo in Europa hanno riportato dozzine di eventi simili.

Per gli ultimi risultati, gli autori si sono affidati a speciali stelle faro chiamate pulsar millisecondo. I team hanno monitorato i cambiamenti nel corso di oltre un decennio nelle distanze tra la Terra e le pulsar di millisecondi nella Via Lattea, e hanno confrontato i segnali delle schiere di dozzine di stelle faro. I Pulsar Timing Array (PTA) sono sensibili a onde di 0,3 parsec o più lunghe.

E mentre LIGO e Virgo individuano le prove delle fasi finali dei singoli eventi di fusione – onde regolarmente distanziate provenienti da una specifica direzione nel cielo – le quattro collaborazioni PTA finora hanno trovato solo uno “sfondo casuale”, una lotta costante in direzioni casuali . Questo è simile al flusso casuale dell’acqua sulla superficie di uno stagno a causa della pioggia.

Qual è l’origine delle onde?

La spiegazione più probabile per lo sfondo casuale visto dai PTA è che sono causati da molte coppie di buchi neri supermassicci che orbitano l’uno intorno all’altro nel cuore di galassie lontane, afferma Sarah Burke-Spollor, astrofisica della West Virginia University di Morgantown.

Si ritiene che la maggior parte delle galassie contenga un buco nero così mostruoso, con una massa di milioni o miliardi di volte quella del Sole. E gli astronomi sanno che nel corso della storia dell’universo molte galassie si sono fuse. Quindi, alcune galassie devono essere finite con due buchi neri supermassicci, noti come binari di buchi neri.

Rilevate per la prima volta onde gravitazionali mostruose

I ricercatori hanno anche calcolato che nel centro affollato di una tale fusione galattica, lo stesso farebbe ogni buco nero trasferire parte del suo slancio alle stelle circostanti, espellendole ad alta velocità o semplicemente trascinandole in giro. Di conseguenza, i due buchi neri alla fine rallenteranno e finiranno per orbitare l’uno intorno all’altro a distanze di circa 1 parsec, spiega Chiara Mingarelli, astrofisica delle onde gravitazionali alla Yale University di New Haven, nel Connecticut.

Tuttavia, i buchi neri accoppiati che sono molto più vicini tra loro di 1 parsec contribuiranno al segnale PTA. “Devono essere separati da un millifarsec per emettere onde gravitazionali rilevabili”, dice Mingarelli. Tuttavia, le teorie che spiegano come ciò sia accaduto sono speculative e se i binari potessero farlo era una questione aperta, nota come l’ultimo problema del parsec. “Se non superi l’ultimo problema di parsec, non otterrai alcuna onda gravitazionale”, afferma Mingarelli.

Gli scienziati cercheranno ora di verificare che il segnale PTA provenga effettivamente da buchi neri supermassicci. Se questo può essere confermato, sarebbe la prova che i buchi neri supermassicci possono avvicinarsi molto in natura.

Questo risultato sarà di fondamentale importanza, afferma Monica Colby, astrofisica dell’Università di Milano-Bicocca in Italia, in quanto dimostra che migliaia di sistemi binari di buchi neri nell’universo hanno in qualche modo “risolto” l’ultimo problema del parsec. “Sarebbe una scoperta che esista una tale popolazione”.

Cosa significa un tale buco nero binario per LISA, il previsto rilevatore spaziale europeo?

Coppie di buchi neri supermassicci che si avvicinano abbastanza da emettere onde gravitazionali alla fine si scontreranno e si fonderanno. Questo perché le stesse onde gravitazionali trasporterebbero energia e quantità di moto lontano dai buchi neri, trasformando le loro orbite in spirali. In centinaia o decine di migliaia di anni, le coppie finirebbero per scontrarsi.

Come le onde gravitazionali possono risolvere alcuni dei misteri più profondi dell’universo

Colby afferma che questa potrebbe essere una buona notizia per la Laser Interferometer Space Antenna (LISA), un trio di sonde che l’Agenzia spaziale europea prevede di lanciare a metà degli anni ’30.

Mentre i buchi neri ruotano verso l’interno, le frequenze delle onde gravitazionali aumentano, entrando in alcuni casi nello spettro di sensibilità di LISA. LISA sarà sensibile a lunghezze d’onda comprese tra 3 milioni di km e 3 miliardi di km, più corte delle lunghezze d’onda che possono essere rilevate dai PTA, sebbene ancora molto più lunghe di quelle viste dai rilevatori terrestri. Quindi LISA ha potuto vedere molte di queste fusioni durante la sua missione.

Le fusioni di buchi neri possono anche aiutare a spiegare come alcuni buchi neri siano diventati così grandi: essi stessi sono il risultato di precedenti fusioni.

Qualcosa di diverso dai buchi neri binari potrebbe produrre lo sfondo casuale?

Ci sono una serie di strane teorie fisiche che prevedono uno sfondo multidirezionale simile per le onde provenienti da tutte le direzioni nello spazio. Queste sorgenti possono costituire parte o anche la maggior parte del segnale. Le possibilità includono alcuni tipi di materia oscura e persino stringhe cosmiche, ipotetici difetti infinitesimali nella curvatura dello spazio-tempo. Le stringhe cosmiche possono causare attorcigliamenti, che alla fine possono spezzarsi, producendo onde gravitazionali.

Una delle spiegazioni alternative più interessanti è lo sfondo delle onde gravitazionali cosmiche che ha avuto origine nell’universo primordiale, afferma Burke-Spollor. I telescopi che vedono attraverso lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma, sono limitati in quanto possono sbirciare, e quindi in quanto possono vedere nel passato. Questo perché, molto prima che esistessero le galassie e le stelle, un gas ionizzato opaco riempiva l’universo. Questo oscura la visione degli astronomi di ciò che è accaduto nell’universo durante i primi 400.000 anni circa.

Ma le onde gravitazionali possono viaggiare attraverso qualsiasi mezzo. Di conseguenza, qualsiasi onda di questo tipo generata dal primo momento dopo il Big Bang può ancora essere presente e rilevabile come parte di uno sfondo casuale, fornendo una finestra sulla fisica estrema del Big Bang. “Questo è fantastico per me”, dice Burke Spollor. “Chissà cosa c’è lì dentro.”