NANOGrav: le pulsar permettono di rilevare onde gravitazionali a bassa frequenza

Le onde gravitazionali sono state teorizzate da molto tempo, ma per rilevarle è stato necessario attendere gli ultimi decenni così da avere strumenti sensibili e precisi da permetterne l'identificazione. In passato abbiamo scritto dell'utilizzo di interferometri laser (come LIGO, Virgo e KAGRA) per rilevare fusioni tra stelle di neutroni e buchi neri o tra buchi neri. Ma questo potrebbe non essere l'unico sistema per scoprirle e analizzarle. Un aiuto arriva dalle pulsar.

Il risultato di una raccolta di dati della durata di 15 anni con la collaborazione di oltre 190 scienziati da diverse nazioni ha portato a un risultato molto importante: rilevare le onde gravitazionali a bassa frequenza, un'altra tipologia rispetto a quelle osservate con gli interferometri laser. Il lavoro dei ricercatori ha portato alla stesura di otto diversi studi scientifici che ora sono diventati pubblicamente disponibili dopo l'annuncio ufficiale di NANOGrav (e altri ne arriveranno in seguito).

Le onde gravitazionali e la rilevazione attraverso le pulsar

Nelle scorse ore la collaborazione degli scienziati legati al programma NANOGrav ha permesso di conoscere i dettagli di quanto scoperto dai dati raccolti durante questi anni da radiotelescopi sparsi in tutto il Mondo (compreso quello di Arecibo, ormai smantellato). Come scritto sopra, rispetto alle onde gravitazionali ad alta frequenza, rilevate con gli interferometri laser, il segnale a bassa frequenza aveva bisogno di uno strumento diverso. Per questo si è pensato di impiegare le pulsar.

Le pulsar sono stelle di neutroni che ruotano molto velocemente sul proprio asse emettendo impulsi di onde radio con una regolarità molto precisa (anche se molto deboli e quindi difficili da captare). Il programma NANOGrav ha raccolto i dati di 68 pulsar per creare un rilevatore conosciuto come pulsar timing array.

Il segreto di questo nuovo sistema di rilevazione risiede proprio nella regolarità con la quale le pulsar emettono i fasci di onde radio. A causa della fluttuazione del tessuto spaziotemporale, come previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein, legato alle onde gravitazionali a bassa frequenze (che possono avere periodi di anni o decenni) viene influenzata la tempistica di ogni impulso, ritardandone alcuni e anticipandone altri.

Il lavoro è iniziato nel 2004, quando però i dati erano raccolti sono da un piccolo gruppo di ricercatori. Per avere dati statistici solidi servivano però molte più osservazioni e molto tempo. Nel 2020 si è avuta la "prima avvisaglia" che qualcosa stava effettivamente avvenendo e che le ipotesi potevano essere confermate. Manca però ancora un tassello. Un esempio delle difficoltà che sono state affrontate (e del perché solo in tempi recenti si è giunti a questo risultato) era la necessità di conoscere il centro di massa del Sistema Solare con una precisione di meno di 100 metri. I risultati in precedenza erano più confusi in quanto non si conosceva con estrema precisione dove si trovasse Giove (che insieme al Sole determina quasi tutta la massa del nostro sistema). Con misurazioni precise delle orbite è stato così possibile avere una ridotta interferenza durante le misurazioni.

Infatti ora sappiamo che il sistema può essere impiegato per rilevare questo genere di onde gravitazionali, ma manca ancora la possibilità di trovarne le sorgenti. Gli scienziati credono che una delle origini potrebbe essere la fusione di buchi neri supermassicci (milioni o miliardi di masse solari) a differenza di quelle ad alta frequenza che comprendono buchi neri di poche masse solari.

Buchi neri supermassicci che orbitano l'uno attorno all'altro creano increspature nel tessuto spaziotemporale e sono tipici di fusioni di galassie. Secondo quanto stimato, le coppie di buchi neri supermassicci potrebbero essere centinaia di migliaia o anche milioni in tutto l'Universo. Grazie all'analisi di questo genere di segnali si potrà capire come l'Universo si è evoluto, quante volte le galassie di fondono e come si comportano i buchi neri. Ancora più interessante è che una parte del segnale potrebbe essere costituito dal Big Bang stesso dando ulteriori informazioni sull'origine dell'Universo. Attualmente il segnale è piuttosto "confuso" ma gli scienziati stanno lavorando per cercare le singole fusioni. I risultati potrebbero arrivare nel corso dei prossimi anni aprendo nuovi scenari per l'astrofisica.

Di seguito gli studi scientifici pubblicati:

• Evidence for a Gravitational-Wave Background
• Observations and Timing of 68 Millisecond Pulsars
• Search for Anisotropy in the Gravitational-Wave Background
• Search for Signals from New Physics
• Constraints on Supermassive Black Hole Binaries from the Gravitational Wave Background
• Search for Anisotropy in the Gravitational-Wave Background
• Bayesian Limits on Gravitational Waves from Individual Supermassive Black Hole Binaries
• The NANOGrav 15-year Gravitational-Wave Background Analysis Pipeline