Onde gravitazionali a bassa frequenza: la voce dei buchi neri

Gli scienziati hanno osservato per la prima volta le deboli increspature causate dal movimento dei buchi neri mentre allungano e comprimono il tessuto dell’Universo. In uno studio appena pubblicato i ricercatori hanno mostrato come sono stati in grado di “ascoltare” quelle che vengono chiamate onde gravitazionali a bassa frequenza, ovvero dei cambiamenti nello spazio-tempo creati da enormi oggetti che si muovono e si scontrano nello spazio. Come ha affermato Maura McLaughlin, co-direttrice di NANOGrav, “è davvero la prima volta che abbiamo prove di questo movimento su larga scala di tutto nell’universo”.

Le tonalità dell’universo nelle onde gravitazionali

Einstein aveva predetto che, quando oggetti molto pesanti si muovono attraverso lo spazio-tempo, ovvero il tessuto del nostro universo, creano increspature che si diffondono attraverso quel tessuto. Nel 2015, gli scienziati hanno utilizzato per la prima volta un esperimento chiamato LIGO per rilevare le onde gravitazionali dimostrando che Einstein aveva ragione. Ma finora attraverso questi metodi abbiamo potuto rilevare solo onde gravitazionali ad alte frequenze, come spiega Chiara Mingarelli, astrofisica dell’Università di Yale e membro di NANOGrav.

Mingarelli spiega che queste rapide onde gravitazionali ad alta frequenza sono il risultato di eventi specifici come due buchi neri relativamente piccoli o delle stelle morte che si scontrano l’un l’altro. In quest’ultimo studio invece, i ricercatori erano a caccia di onde a frequenze molto più basse. Queste lente increspature dello spazio-tempo possono impiegare anni o addirittura decenni per attraversare il tessuto dell’universo, e probabilmente provengono da alcuni degli oggetti più grandi del nostro universo, ovvero i buchi neri supermassicci.

Le galassie in tutto l’universo si scontrano e si fondono costantemente. I ricercatori ritengono che mentre ciò avviene, anche gli enormi buchi neri al centro di queste galassie si uniscano danzando e infine collassando l’uno nell’altro. Durante queste danze cosmiche in cui due giganti cosmici si approcciano l’un l’altro, si crea quello che viene conosciuto come sistema binario di buchi neri.

Un telescopio grande come una galassia

Come afferma Michael Lam del SETI Institute e ricercatore di NANOGrav, nessuno strumento sulla Terra potrebbe catturare le onde gravitazionali prodotte dal movimento di questi enormi buchi neri. Per questo motivo “abbiamo dovuto costruire un rilevatore che avesse all’incirca le dimensioni della galassia”.

Per riuscirci i ricercatori hanno messo insieme 15 anni di dati grazie al progetto NANOGrav, che ha utilizzato telescopi in tutto il Nord America, puntandoli su diverse pulsar, stelle morte che emettono lampi di onde radio mentre ruotano nello spazio.

Le esplosioni radio delle pulsar sono così regolari che gli scienziati sanno esattamente quando le onde radio dovrebbero arrivare sul nostro pianeta, “come un orologio perfettamente regolare che ticchetta lontano nello spazio”, come ha affermato Sarah Vigeland, membro di NANOGrav e astrofisica dell’Università del Wisconsin-Milwaukee.

Questo orologio non è però del tutto perfetto e, mentre le onde gravitazionali deformano il tessuto dello spaziotempo, in realtà cambiano la distanza tra la Terra e queste pulsar, facendo perdere costanza al ritmo. Gli scienziati hanno analizzato i minuscoli cambiamenti nella frequenza del ritmo su diverse pulsar, con alcuni impulsi che arrivano leggermente in anticipo e altri che arrivano in ritardo.

Una nuova comprensione delle onde gravitazionali

Il team di NANOGrav ha monitorato 68 pulsar nel cielo utilizzando il Green Bank Telescope in West Virginia, il telescopio di Arecibo a Puerto Rico e il Very Large Array nel New Mexico. Finora, questo metodo non è stato in grado di tracciare da dove provengano esattamente queste onde a bassa frequenza.

Ma gli scienziati possono comunque affermare che il rumore di fondo identificato è “più forte” di quanto alcuni si aspettassero. Ciò potrebbe significare che ci sono più, o più grandi, fusioni di buchi neri nello spazio di quanto ritenessimo, oppure che ci sono altre fonti di onde gravitazionali che potrebbero sfidare la nostra comprensione dell’universo.

I ricercatori sperano che continuare a studiare le onde gravitazionali a bassa frequenza possa aiutarci a conoscere meglio gli oggetti più grandi, potenti, misteriosi e tra i più affascinanti del nostro universo.

Ph. Credit: Aurore Simonnet per la collaborazione NANOGrav

Fonte: The Astrophysical Journal Letters