Forse osservato il fondo di onde gravitazionali

27 Ott, 2021
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(30Science.com) – Roma, 27 ott. –  Potrebbe essere legato al rumore di fondo gravitazionale il segnale descritto in un articolo elaborato da ricercatori dell’European Pulsar Timing Array (EPTA) pubblicato sulla storica rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Epta  è una collaborazione scientifica che riunisce team di astronomi afferenti ai più grandi radiotelescopi Europei, e coordina gruppi di ricercatori specializzati nell’analisi dei dati e nella modellizzazione dei segnali di onde gravitazionali.

I cinque grandi radiotelescopi europei utilizzati in questo studio. Dall’alto a sinistra: Il radiotelescopio di Effelsberg in Germania, Il radiotelescopio di Nancay in francia, il Sardinia Radio Telescope in Italia, il Westerbork Synthesis Radio Telescope nei Paesi Bassi e il Lovell Telescope nel Regno Unito.

Fra questi è presente il gruppo di astrofisica del Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini” dell’Università di Milano-Bicocca e dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF). L’EPTA ha recentemente pubblicato un’analisi dettagliata di un segnale compatibile con il tanto ricercato fondo di onde gravitazionali proveniente da una popolazione cosmica di binarie di buchi neri supermassicci. Sebbene non sia ancora possibile confermare l’origine gravitazionale del segnale, questo rappresenta un altro passo significativo nello sforzo di rivelare per la prima volta onde gravitazionali a frequenze dell’ordine di un miliardesimo di Hertz. Il segnale candidato è emerso da un’analisi dettagliata senza precedenti condotta utilizzando due metodologie indipendenti. Inoltre, il segnale presenta forti somiglianze con quello riscontrato da analisi di altri team. I risultati dello studio sono stati resi possibili grazie ai dati raccolti in ventiquattro anni di osservazioni con cinque radiotelescopi europei di grande apertura, tra cui il Sardinia Radio Telescope (SRT) da 64 metri di diametro, situato vicino a Cagliari.

Le pulsar sono stelle di neutroni molto compatte che emettono fasci di onde radio collimati  in direzione dei poli magnetici, in generale non allineati con l’asse di rotazione della stella creando un “effetto faro”. Se i fasci attraversano la nostra linea di vista, da terra osserviamo un impulso periodico molto preciso: un orologio che batte un tic ad ogni rotazione della pulsar. Un pulsar timing array (PTA) è un insieme di pulsar rotanti molto stabili, utilizzate come un enorme rivelatore galattico di onde gravitazionali. PTA, sensibile a onde gravitazionali con frequenze del miliardesimo di Hertz, è quindi un osservatorio complementare agli attuali rivelatori a terra LIGO/Virgo/Kagra, sensibili a frequenze comprese fra 10 Hz ad 1000 Hertz. Mentre questi ultimi rivelano le repentine collisioni di buchi neri di massa stellare e stelle di neutroni, un PTA può osservare onde emesse da sistemi binari di buchi neri supermassicci che spiraleggiano l’uno intorno all’altro al centro delle galassie. Il sovrapporsi di moltissimi di questi segnali, provenienti da una popolazione cosmica di binarie massicce, crea un cosiddetto “fondo stocastico” di onde gravitazionali.
Possiamo misurare piccole fluttuazioni nei tempi di arrivo del segnale radio delle pulsar sulla Terra, causate dalla deformazione dello spazio-tempo dovuta al passaggio di un’onda gravitazionale. In pratica queste deformazioni si manifestano come una perturbazione a bassissima frequenza dei tempi di arrivo degli impulsi osservati, perturbazione comune a tutte le pulsar di un PTA“, spiega il dottor Golam Shaifullah, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini”, co-autore principale dello studio. Tuttavia, l’ampiezza di questa perturbazione è incredibilmente piccola (stimata nell’ordine delle decine di miliardesimi di secondo) e può essere confusa o mascherata da tantissimi altri effetti fisici che possono creare piccole instabilità nel periodo di rotazione delle pulsar, elementi della rete PTA. Per convalidare i risultati sono stati quindi utilizzati più codici indipendenti con diverse tecniche statistiche per mitigare fonti alternative di rumore e identificare il segnale gravitazionale. È importante sottolineare che nell’analisi sono state utilizzate due procedure “end-to-end” indipendenti per la verifica incrociata dei risultati. Inoltre, sono stati utilizzati tre metodi indipendenti per tenere conto dei possibili errori sistematici dovuti all’incertezza sulla conoscenza delle masse e posizioni dei corpi celesti nel sistema solare: incertezza che può indurre falsi positivi nella rivelazione del segnale stocastico di onde gravitazionali.
Andrea Possenti, ricercatore presso l’INAF di Cagliari e coautore del lavoro, spiega: “La presenza di un fondo di onde gravitazionali si manifesta sotto forma di fluttuazioni di bassissima frequenza nel ritmo degli impulsi radio provenienti da tutte le pulsar, una sorta di ‘rumore’ aggiuntivo, che perturba il regolare andamento degli impulsi, che altrimenti potremmo paragonare al ticchettio di un orologio precisissimo. Parlando in maniera molto semplificata, un esperimento come quello condotto da EPTA consiste dunque nella ripetuta osservazione della schiera di pulsar, ogni qualche settimana e per molti anni, alla ricerca di un ‘rumore’ a bassissima frequenza che affligga il loro ticchettio in maniera comune a tutte le pulsar, e che non sia attribuibile a cause diverse dalle onde gravitazionali”.

Rappresentazione artistica dell’esperimento EPTA. Un gruppo di radiotelescopi europei ha osservato una rete di pulsar distribuite nel cielo. La variazione registrata nel tempo di arrivo sulla Terra degli impulsi radio emessi da questi corpi celesti consente agli astronomi di studiare le più minime perturbazioni dello spazio-tempo. Queste perturbazioni, chiamate onde gravitazionali, si propagano senza sosta dai confini più remoti e quindi più antichi dell’universo, quando le prime galassie si sono fuse tra loro e i buchi neri supermassicci ospitati nelle loro regioni centrali hanno orbitato l’uno attorno all’altro e le hanno prodotte.

 

Le analisi svolte da EPTA con entrambe le procedure hanno riscontrato la presenza di un chiaro segnale candidato per un fondo stocastico gravitazionale, e le sue proprietà spettrali (ovvero come l’ampiezza della perturbazione osservata varia con la frequenza) rimangono all’interno delle aspettative teoriche per questo tipo di segnale. Il dottor Nicolas Caballero, ricercatore presso il Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics di Pechino e co-autore principale, spiega: «L’EPTA ha trovato per la prima volta indicazioni di questo segnale nei dati precedentemente pubblicati nel 2015, ma poiché i risultati avevano maggiori incertezze statistiche, sono stati discussi rigorosamente solo come limiti superiori. I nostri nuovi dati ora confermano chiaramente la presenza di questo segnale, rendendolo un candidato per un fondo stocastico di onde gravitazionali”.

La Relatività Generale di Einstein prevede una relazione molto specifica tra le deformazioni spazio-temporali sperimentate dai segnali radio provenienti da pulsar situate in diverse direzioni nel cielo. Gli scienziati la chiamano correlazione spaziale del segnale o curva di Hellings e Downs. Il suo rilevamento identificherà in modo univoco l’eventuale origine gravitazionale del segnale osservato. “Al momento – nota il dottor Siyuan Chen, ricercatore all’LPC2E, CNRS di Orleans in Francia, co-autore principale dello studio – le incertezze statistiche nelle nostre misurazioni non ci consentono ancora di identificare la presenza della correlazione spaziale prevista per il segnale dovuto ad onde gravitazionali. Per ulteriori conferme dobbiamo includere i dati di più pulsar nell’analisi, tuttavia i risultati attuali sono molto incoraggianti”.
L’EPTA è un membro fondatore dell’International Pulsar Timing Array (IPTA). Poiché anche le analisi dei dati indipendenti eseguite dagli altri partner IPTA (cioè gli esperimenti NANOGrav e PPTA) hanno indicato segnali comuni simili, è diventato fondamentale applicare più algoritmi di analisi per aumentare la confidenza in un possibile rilevamento futuro di questo fondo stocastico. I membri dell’IPTA stanno lavorando insieme, traendo conclusioni dal confronto delle analisi dei diversi dati per prepararsi al meglio per i prossimi passi.
Alberto Sesana, professore associato di Milano-Bicocca e membro dell’EPTA, conclude: “Il rilevamento di un fondo di onde gravitazionali proveniente da una popolazione di sistemi binari di buchi neri supermassicci o da altre sorgenti di origine cosmica fornirà informazioni uniche sui modelli cosmologici di evoluzione dell’Universo, imponendo forti vincoli al processo di aggregazione delle galassie come le vediamo oggi. Pertanto, stiamo intensificando i nostri sforzi aggiungendo i dati di nuove pulsar e rafforzando i controlli incrociati delle nostre analisi. Non c’è spazio per gli errori”. (30Science.com)
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