Le pulsar ci svelano il respiro dello spazio-tempo / Pulsars reveal the breath of space-time to us
Le pulsar ci svelano il respiro dello spazio-tempo / Pulsars reveal the breath of space-time to us
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Dai dati raccolti in oltre 25 anni da sei dei radiotelescopi più sensibili del mondo, fra cui il Sardinia Radio Telescope dell'Inaf, emergono i segni distintivi dell'esistenza di onde gravitazionali a bassissima frequenza. Una scoperta che apre una nuova finestra osservativa nella scienza delle onde gravitazionali, e conferma l’esistenza di onde gravitazionali ultra lunghe generate, secondo le teorie, da coppie di buchi neri supermassicci durante il processo di fusione fra due galassie
In una serie di articoli pubblicati oggi sulla rivista Astronomy and Astrophysics, gli scienziati dello European Pulsar Timing Array (Epta), in collaborazione con i colleghi indiani e giapponesi dell’Indian Pulsar Timing Array (InPta), riportano i risultati ottenuti analizzando dati raccolti in oltre 25 anni, che promettono di condurre a scoperte senza precedenti nello studio della formazione e dell’evoluzione del nostro universo e delle galassie che lo popolano.
«I risultati presentati oggi dalla collaborazione Epta sono straordinari per la loro importanza scientifica e per le prospettive future di ulteriore consolidamento dei risultati», commenta Marco Tavani, presidente dell’Inaf. «L’astrofisica italiana e l’Inaf sono leader mondiali in una grande impresa finalizzata a esplorare il cosmo con le onde gravitazionali, un filone di ricerca che vedrà l’Italia protagonista nei prossimi anni».
L’Epta è una collaborazione di scienziati di undici istituzioni in tutta Europa, fra cui due in Italia (l’Inaf con la sua sede di Cagliari e l’Università di Milano-Bicocca), e riunisce astronomi e fisici teorici, al fine di utilizzare le osservazioni degli impulsi ultra regolari provenienti da stelle di neutroni chiamate pulsar per costruire un rilevatore di onde gravitazionali delle dimensioni della nostra galassia. Infatti le pulsar si comportano come orologi naturali di alta precisione e dalla misura ripetuta di piccolissime variazioni (inferiori ad un milionesimo di secondo e correlate fra loro) nei tempi di arrivo dei loro impulsi è possibile misurare le minute dilatazioni e compressioni dello spazio-tempo provocate dal passaggio di onde gravitazionali provenienti dall’universo lontano.
Questo gigantesco rivelatore di onde gravitazionali – che dalla Terra si estende in direzione di 25 pulsar, selezionate all’interno della nostra Via Lattea e distanti migliaia di anni luce da noi – rende possibile sondare un tipo di onde gravitazionali aventi un ritmo lentissimo, corrispondente a lunghezze d’onda enormemente più lunghe di quelle osservate, a partire dal 2015, dai cosiddetti interferometri per onde gravitazionali, tra cui spiccano Virgo a Cascina (vicino a Pisa) e Ligo negli Stati Uniti.
All’Inaf di Cagliari, l’entusiasmo è palpabile. «Grazie alle osservazioni di Epta, stiamo aprendo una nuova finestra nell’universo delle onde gravitazionali ultra lunghe (corrispondenti a frequenze di oscillazione del miliardesimo di hertz) che sono associate a sorgenti e fenomeni unici», dice la ricercatrice Caterina Tiburzi.
«Queste onde gravitazionali», precisa la collega Marta Burgay, «ci permettono di studiare alcuni dei misteri finora irrisolti nell’evoluzione dell’universo, fra cui, ad esempio, le proprietà della elusiva popolazione cosmica dei sistemi binari formati da due buchi neri supermassici, aventi masse miliardi di volte maggiori di quella del Sole». Questi buchi neri si trovano ad orbitare al centro di galassie che stanno fondendosi l’una con l’altra, e durante il loro orbitare, la teoria della relatività generale di Albert Einstein prevede che emettano onde gravitazionali ultra lunghe.
Gli strumenti utilizzati per raccogliere i dati sono l’Effelsberg Radio Telescope in Germania, il Lovell Telescope dell’Osservatorio Jodrell Bank nel Regno Unito, il Nancay Radio Telescope in Francia, il Westerbork Radio Synthesis Telescope nei Paesi Bassi, e il Sardinia Radio Telescope (Srt) in Italia.
«Questi risultati», aggiunge l’astronoma Delphine Perrodin, sempre dell’Inaf di Cagliari, «si basano su decenni di certosine ed instancabili campagne di osservazione effettuate utilizzando i cinque più grandi radiotelescopi in Europa. Inoltre, una volta al mese i dati di questi telescopi vengono anche sommati fra loro, aumentando ulteriormente la sensibilità dell’esperimento». Queste osservazioni sono poi state ulteriormente integrate dai dati forniti dal Giant Metrewave Radio Telescope in India, con ciò rendendo l’insieme di dati ancora più accurato.
«È una grande soddisfazione per tutta l’astrofisica italiana che Srt, il grande radiotelescopio gestito da Inaf, sia fra i testimoni dell’emergere nei dati di questo lento respiro dello spazio-tempo», spiega Andrea Possenti, primo ricercatore dell’Inaf di Cagliari e fra i fondatori di Epta, assieme all’ex presidente dell’Istituto nazionale di astrofisica Nichi D’Amico. «Si tratta di nuovo grande risultato scientifico, che conferma, a livello mondiale, il ruolo centrale dell’Italia, e vieppiù della Sardegna (con Srt e speriamo presto anche con l’Einstein Telescope), nello studio delle onde gravitazionali per molti decenni a venire».
I risultati dell’Epta si confrontano con una serie di pubblicazioni indipendenti oggi annunciate in parallelo da altre collaborazioni in tutto il mondo, facenti capo agli esperimenti di tipo Pta (Pulsar timing array) australiano, cinese e nordamericano, noti rispettivamente come Ppta, Cpta e NanoGrav. I vari risultati sono consistenti fra tutte le collaborazioni, ciò che corrobora ulteriormente la presenza nei dati di un segnale dovuto ad onde gravitazionali. Il lavoro però non termina qui, in quanto la natura stessa del segnale osservato prevede che esso si manifesti in maniera progressivamente più chiara. «Ho cominciato il mio dottorato al momento giusto», ricorda Francesco Iraci, dottorando dell’Università di Cagliari che da circa un anno svolge le sue ricerche presso l’Inaf di Cagliari proprio nel contesto di Epta, «non vedo l’ora di contribuire all’ulteriore affinamento dei dati».
Infatti, ai fini di conclamare definitivamente la scoperta di un nuovo fenomeno, è buon uso in fisica che il risultato dell’esperimento abbia una probabilità di verificarsi in modo casuale meno di una volta su un milione di casi. Il risultato riportato da Epta – così come dalle altre collaborazioni internazionali – si avvicina, ma ancora non soddisfa appieno questo criterio: infatti c’è ancora circa una probabilità su mille che fonti di rumore casuali congiurino per generare il segnale. Dopo aver completato le loro analisi in modo indipendente, i ricercatori delle quattro collaborazioni – Epta, InPta, Ppta e NanoGrav – stanno ora direttamente combinando i loro dati all’interno del coordinamento dell’International Pulsar Timing Array. L’obiettivo è quello di sfruttare misure effettuate su un campione complessivo di oltre cento pulsar, osservate con tredici radiotelescopi in tutto il mondo. L’accresciuta quantità e qualità dei dati dovrebbe dunque fornire agli astronomi la prova inconfutabile che una nuova era nell’esplorazione dell’Universo è iniziata.
ENGLISH
A NEW METHOD FOR DETECTING GRAVITATIONAL WAVES
From the data collected in over 25 years by six of the most sensitive radio telescopes in the world, including the INAF's Sardinia Radio Telescope, the distinctive signs of the existence of very low frequency gravitational waves emerge. A discovery that opens a new observational window in the science of gravitational waves, and confirms the existence of ultra-long gravitational waves generated, according to theories, by pairs of supermassive black holes during the merging process between two galaxies
In a series of articles published today in the journal Astronomy and Astrophysics, the scientists of the European Pulsar Timing Array (Epta), in collaboration with the Indian and Japanese colleagues of the Indian Pulsar Timing Array (InPta), report the results obtained by analyzing data collected in over 25 years, which promise to lead to unprecedented discoveries in the study of the formation and evolution of our universe and the galaxies that populate it.
"The results presented today by the Epta collaboration are extraordinary for their scientific importance and for the future prospects for further consolidation of the results", comments Marco Tavani, president of INAF. "Italian astrophysics and INAF are world leaders in a large enterprise aimed at exploring the cosmos with gravitational waves, a line of research that will see Italy as a protagonist in the coming years".
Epta is a collaboration of scientists from eleven institutions throughout Europe, including two in Italy (Inaf with its headquarters in Cagliari and the University of Milan-Bicocca), and brings together astronomers and theoretical physicists, in order to use observations of ultra-regular pulses from neutron stars called pulsars to build a gravitational-wave detector the size of our galaxy. In fact, pulsars behave like natural clocks of high precision and by the repeated measurement of very small variations (less than a millionth of a second and correlated to each other) in the arrival times of their impulses it is possible to measure the minute expansions and compressions of space-time caused by the passage of gravitational waves from the distant universe.
This gigantic gravitational wave detector - which extends from the Earth in the direction of 25 pulsars, selected within our Milky Way and thousands of light years away from us - makes it possible to probe a type of gravitational waves having a very slow rhythm, corresponding to wavelengths enormously longer than those observed, starting in 2015, by so-called gravitational wave interferometers, among which Virgo in Cascina (near Pisa) and Ligo in the United States stand out.
At the INAF in Cagliari, the enthusiasm is palpable. "Thanks to Epta's observations, we are opening a new window into the universe of ultra-long gravitational waves (corresponding to oscillation frequencies of a billionth of a hertz) which are associated with unique sources and phenomena", says researcher Caterina Tiburzi.
«These gravitational waves», explains my colleague Marta Burgay, «allow us to study some of the hitherto unsolved mysteries in the evolution of the universe, including, for example, the properties of the elusive cosmic population of binary systems formed by two supermassive black holes , having masses billions of times greater than that of the Sun». These black holes are found to orbit in the center of galaxies that are merging with each other, and during their orbit, Albert Einstein's theory of general relativity predicts that they emit ultra-long gravitational waves.
The instruments used to collect the data are the Effelsberg Radio Telescope in Germany, the Lovell Telescope of the Jodrell Bank Observatory in the United Kingdom, the Nancay Radio Telescope in France, the Westerbork Radio Synthesis Telescope in the Netherlands, and the Sardinia Radio Telescope ( Srt) in Italy.
«These results», adds the astronomer Delphine Perrodin, also from the INAF of Cagliari, «are based on decades of painstaking and tireless observation campaigns carried out using the five largest radio telescopes in Europe. Furthermore, once a month the data from these telescopes are also added together, further increasing the sensitivity of the experiment". These observations were then further complemented by data provided by the Giant Metrewave Radio Telescope in India, thereby making the dataset even more accurate.
"It is a great satisfaction for all Italian astrophysics that Srt, the large radio telescope managed by INAF, is among the witnesses of the emergence in the data of this slow breathing of space-time", explains Andrea Possenti, INAF's first researcher of Cagliari and one of the founders of Epta, together with the former president of the National Institute of Astrophysics Nichi D'Amico. «This is another great scientific result, which confirms, on a worldwide level, the central role of Italy, and increasingly of Sardinia (with Srt and hopefully soon also with the Einstein Telescope), in the study of gravitational waves for many decades come".
The EPTA results compare with a series of independent publications today announced in parallel by other collaborations around the world, led by the Australian, Chinese and North American PTA (Pulsar timing array) experiments, known respectively as Ppta, Cpta and NanoGrav. The various results are consistent across all collaborations, further corroborating the presence of a gravitational wave signal in the data. However, the work does not end here, as the very nature of the observed signal requires that it manifest itself in a progressively clearer way. «I started my doctorate at the right time», recalls Francesco Iraci, a PhD student at the University of Cagliari who has been carrying out his research at the INAF of Cagliari for about a year precisely in the context of Epta, «I can't wait to contribute to further refinement of the data.
In fact, in order to definitively declare the discovery of a new phenomenon, it is good practice in physics that the result of the experiment has a probability of occurring randomly less than once in a million cases. The result reported by Epta - as well as by other international collaborations - is approaching, but still does not fully satisfy this criterion: in fact, there is still about a one in a thousand probability that random noise sources conspire to generate the signal. Having completed their analyzes independently, the researchers from the four collaborations – Epta, InPta, Ppta and NanoGrav – are now directly combining their data within the coordination of the International Pulsar Timing Array. The goal is to exploit measurements made on a total sample of over one hundred pulsars, observed with thirteen radio telescopes around the world. The increased quantity and quality of data should therefore provide astronomers with irrefutable proof that a new era in the exploration of the Universe has begun.
Da:
https://www.media.inaf.it/2023/06/29/le-pulsar-ci-svelano-il-respiro-dello-spazio-tempo/
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