Onde gravitazionali mostruose avvistate per la prima volta / Monster gravitational waves spotted for first time
Onde gravitazionali mostruose avvistate per la prima volta / Monster gravitational waves spotted for first time
Segnalato dal Dott.Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Utilizzando stelle faro chiamate pulsar, uno sforzo decennale ha trovato increspature spazio-temporali larghe anni luce.
Le onde gravitazionali sono tornate e sono più grandi che mai.
Dopo la storica prima rilevazione dei sonagli spazio-temporali nel 2015 utilizzando rilevatori terrestri, i ricercatori avrebbero potuto riscoprire le onde di Albert Einstein con una tecnica completamente diversa. L'approccio tiene traccia dei cambiamenti nelle distanze tra la Terra e le stelle faro nel suo quartiere galattico chiamato pulsar, che rivelano come lo spazio in mezzo sia allungato e schiacciato dal passaggio delle onde gravitazionali.
Mentre la scoperta originale individuava onde originate dalla collisione e dalla fusione di due buchi neri delle dimensioni di una stella, la fonte più probabile dell'ultima scoperta è il segnale combinato di molte coppie di buchi neri molto più grandi: milioni o addirittura miliardi di volte la massa di il Sole - che orbitano lentamente l'uno intorno all'altro nei cuori di galassie lontane. Queste onde sono migliaia di volte più forti e più lunghe di quelle trovate nel 2015, con lunghezze d'onda fino a decine di anni luce. Al contrario, le increspature rilevate dal 2015 utilizzando una tecnica chiamata interferometria sono lunghe solo decine o centinaia di chilometri.
"Possiamo dire che la Terra sta oscillando a causa delle onde gravitazionali che stanno investendo la nostra Galassia", afferma Scott Ransom, astrofisico presso l'Osservatorio nazionale radioastronomico degli Stati Uniti a Charlottesville, in Virginia, e membro anziano di NANOGrav, una delle quattro collaborazioni che ha annunciato risultati separati il 29 giugno.
"Non stiamo ancora usando la parola 'd' - per il rilevamento -", dice Ransom. "Ma pensiamo che questa sia una prova forte." Ogni gruppo ha visto accenni di una traccia prevista di onde gravitazionali, ma senza la certezza statistica di una solida scoperta, dicono Ransom ed altri. I ricercatori ora riuniranno i loro dati per vedere se possono raggiungere quella soglia insieme.
"Se questo sarà confermato, avremo 20 anni di lavoro per studiare questo nuovo sfondo", afferma Monica Colpi, che studia la teoria delle onde gravitazionali e dei buchi neri all'Università di Milano-Bicocca in Italia. "Metterà al lavoro un esercito di astrofisici".
Prendere un'onda
Tre collaborazioni hanno accumulato decenni di dati sulle pulsar e stanno riportando risultati simili: il gruppo nordamericano NANOGrav; l'European Pulsar Timing Array, con il contributo di astronomi in India; e il Parkes Pulsar Timing Array in Australia. Una quarta collaborazione, il cinese Pulsar Timing Array, afferma di aver trovato un segnale con soli tre anni di dati, grazie all'eccezionale sensibilità del telescopio sferico con apertura di cinquecento metri (FAST), aperto nel 2016 nella regione di Guizhou.
Keija Lee, un radioastronomo della Peking University di Pechino che ha guidato lo studio FAST, afferma di non essere sorpreso dal risultato. "Il mio calcolo per la sensibilità delle onde gravitazionali dell'osservazione FAST è stato fatto nel 2009, quando ero uno studente di dottorato."
Tutti i gruppi usano massicci radiotelescopi per monitorare pulsar da "millisecondi". Queste sono stelle di neutroni incredibilmente dense che emettono onde radio dai loro poli magnetici. Ogni volta che una pulsar ruota sul proprio asse, il suo raggio radio viaggia dentro e fuori dalla linea di vista verso la Terra, producendo un impulso a intervalli regolari. Le pulsar al millisecondo ruotano più velocemente, fino a diverse centinaia di volte al secondo.
"Possiamo usarli fondamentalmente come orologi", afferma Andrew Zic, radioastronomo presso l'Australia Telescope National Facility di Sydney e autore principale dell'articolo di Parkes. Lievi variazioni nel tempo 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. Invece, ogni collaborazione monitora una serie di dozzine. Di conseguenza, hanno trovato una firma chiamata curva di Hellings-Downs, che prevede come, in presenza di onde gravitazionali provenienti da tutte le direzioni possibili, la correlazione tra coppie di pulsar vari in funzione della loro separazione nel cielo. NANOGrav è stato il primo a individuare il segnale e lo ha segnalato ai colleghi nel 2020. Ma il gruppo ha deciso di attendere le altre collaborazioni per vedere i segni della curva prima della pubblicazione.
"Vedere la curva di Hellings-Downs apparire per la prima volta in modo reale è stato un momento bellissimo", afferma Chiara Mingarelli, astrofisica delle onde gravitazionali alla Yale University di New Haven, nel Connecticut, e membro di NANOGrav. “Non mi stanco mai di vederlo.”
Alberto Vecchio, astrofisico dell'Università di Birmingham, nel Regno Unito, e membro del team europeo, afferma che la sua prima reazione quando ha visto i risultati del suo gruppo è stata: "Maledizione, potrebbe esserci qualcosa di interessante qui".
Il lungo gioco
Einstein predisse per la prima volta le onde gravitazionali nel 1916. Il 14 settembre 2015, i rivelatori gemelli del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Louisiana e nello Stato di Washington confermarono la sua previsione rilevando un'esplosione di onde dalla fusione di due buchi neri. Da allora i fisici hanno catturato le onde gravitazionali da dozzine di tali eventi.
Se l'ultimo segnale proviene dalle onde gravitazionali combinate di migliaia di coppie di buchi neri supermassicci in tutto l'Universo, sarebbe la prima prova diretta dell'esistenza di tali binari e che alcuni hanno orbite abbastanza strette da produrre onde gravitazionali misurabili. Colpi afferma che una delle principali implicazioni è che ciascuna delle coppie alla fine si unirà, creando esplosioni simili a quelle viste da LIGO, ma su scala molto più ampia. I segnali di alcune di queste collisioni saranno 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 che alla fine andranno oltre la curva di Hellings-Downs e vedranno segnali di singoli binari di buchi neri supermassicci abbastanza vicini alla nostra Galassia - e quindi abbastanza forti, in termini di onde gravitazionali - da distinguersi dal segnale di fondo. "Per vedere una fonte isolata, deve essere davvero forte", dice Vecchio.
Ma per ora non si possono escludere altre origini di queste onde, incluso il possibile rumore gravitazionale residuo del Big Bang.
“È stato un gioco lungo e paziente”, dice Zic. "Ora stiamo davvero iniziando ad aprire la finestra su questo spettro di onde gravitazionali a frequenza ultra bassa".
ENGLISH
Using beacon stars called pulsars, a decades-long effort has found space-time ripples that are light years wide.
Gravitational waves are back, and they’re bigger than ever.
After the historic first detection of the space-time rattles in 2015 using ground-based detectors, researchers could have now rediscovered Albert Einstein’s waves with an entirely different technique. The approach tracks changes in the distances between Earth and beacon stars in its Galactic neighbourhood called pulsars, which reveal how the space in between is stretched and squeezed by the passage of gravitational waves.
Whereas the original discovery spotted waves originating from the collision and merger of two star-sized black holes, the most likely source of the latest finding is the combined signal from many pairs of much larger black holes — millions or even billions of times the mass of the Sun — slowly orbiting each other in the hearts of distant galaxies. These waves are thousands of times stronger and longer than those found in 2015, with wavelengths of up to tens of light years. By contrast, the ripples detected since 2015 using a technique called interferometry are just tens or hundreds of kilometres long.
“We can tell that the Earth is jiggling due to gravitational waves that are sweeping our Galaxy,” says Scott Ransom, an astrophysicist at the US National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, and a senior member of NANOGrav, one of four collaborations that announced separate results on 29 June.
“We’re not using the ‘d’ word — for detection — yet,” says Ransom. “But we do think this is strong evidence.” Each group has seen hints of an expected signature of gravitational waves, but without the statistical certainty of a firm discovery, Ransom and others say. Researchers will now pool their data to see if they can reach that threshold together.
“If this is confirmed, we’ll have 20 years of work studying this new background,” says Monica Colpi, who studies the theory of gravitational waves and black holes at the University of Milan–Bicocca in Italy. “It will put an army of astrophysicists to work.”
Catching a wave
Three collaborations have amassed decades’ worth of pulsar data and are reporting similar results: the North American group NANOGrav; the European Pulsar Timing Array, with the contribution of astronomers in India; and the Parkes Pulsar Timing Array in Australia. A fourth collaboration, the Chinese Pulsar Timing Array, says it has found a signal with merely three years of data, owing to the exceptional sensitivity of the Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST), which opened in 2016 in the Guizhou region.
Keija Lee, a radio astronomer at Peking University in Beijing who led the FAST study, says he was not surprised by the result. “My calculation for the gravitational-wave sensitivity of FAST observation was done back in 2009, when I was a PhD student.”
All the groups use massive radio telescopes to monitor ‘millisecond’ pulsars. These are incredibly dense neutron stars that spew radio waves from their magnetic poles. Each time a pulsar rotates on its axis, its radio beam travels in and out of the line of sight to Earth, resulting in a pulse with regular intervals. Millisecond pulsars rotate the fastest, up to several hundred times per second.
“We can use them basically as clocks,” says Andrew Zic, a radio astronomer at the Australia Telescope National Facility in Sydney and a lead author of the Parkes paper. Slight changes in the arrival time of a pulsar’s signals can mean that the space between the star and Earth has been altered by the passage of a gravitational wave.
The timing of a single pulsar would not be reliable enough to detect gravitational waves. Instead, each collaboration monitors an array of dozens. As a result, they have found a signature called the Hellings–Downs curve, which predicts how, in the presence of gravitational waves coming from all possible directions, the correlation between pairs of pulsars varies as a function of their separation in the sky. NANOGrav was first to spot the signal, and reported it to colleagues in 2020. But the team decided to wait for the other collaborations to see hints of the curve before publishing.
“Seeing the Hellings–Downs curve actually appear for the first time in a real way — that was a beautiful moment,” says Chiara Mingarelli, a gravitational-wave astrophysicist at Yale University in New Haven, Connecticut, and a member of NANOGrav. “I’m never tiring of seeing it.”
Alberto Vecchio, an astrophysicist at the University of Birmingham, UK, and a member of the European team, says his first reaction when he saw his group’s results was, “Bloody hell, there could be something interesting here.”
The long game
Einstein first predicted gravitational waves in 1916. On 14 September 2015, the twin detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Louisiana and Washington State confirmed his prediction by detecting a burst of waves from the merger of two black holes. Physicists have since captured gravitational waves from dozens of such events.
If the latest signal is from the combined gravitational waves of thousands of pairs of supermassive black holes across the Universe, it would be the first direct evidence that such binaries exist and that some have orbits tight enough to produce measurable gravitational waves. Colpi says a major implication is that each of the pairs will ultimately merge — creating bursts similar to the ones seen by LIGO, but on a much larger scale. The signals of some of these collisions will be detected in space by the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), a European Space Agency mission due to launch in the 2030s.
Researchers hope that they will eventually go beyond the Hellings–Downs curve and see signals of individual supermassive-black-hole binaries close enough to our Galaxy — and therefore loud enough, in gravitational-wave terms — to stand out of the background signal. “To see an isolated source, it has to be really strong,” says Vecchio.
But for now, other origins of these waves cannot be ruled out, including possible residual gravitational noise from the Big Bang.
“It’s been a long and patient game,” says Zic. “Now we’re really starting to open the window into this ultra-low-frequency gravitational-wave spectrum.”
Da:
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02167-7?utm_term=Autofeed&utm_campaign=nature&utm_medium=Social&utm_source=Facebook&fbclid=IwAR3qf6wQYGhOrJdwl2wxQW_KBfIqViJ42Oa_7Thus4jBLd-aUWuakXyjcYc#Echobox=1688029338
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