Le rughe nello spazio-tempo potrebbero “ricordare” i segreti delle stelle che esplodono

Distorsioni permanenti nello spazio-tempo causate dal passaggio delle onde gravitazionali potrebbero essere rilevate dalla Terra. Conosciuta come “memoria gravitazionale”, si prevede che tali distorsioni si verifichino in modo più evidente quando il nucleo di una supernova collassa. Osservarle potrebbe quindi fornire una finestra sulla morte delle stelle massicce e sulla creazione di buchi neri, ma c’è un problema: la supernova potrebbe essere avvenuta nella nostra galassia.

 

 

I fisici hanno rilevato onde gravitazionali da buchi neri di massa stellare in collisione e stelle di neutroni per quasi un decennio, e la teoria prevede che anche le supernove di collasso del nucleo dovrebbero produrle.

La differenza è che, a differenza delle collisioni, le supernove tendono ad essere asimmetriche: non esplodono verso l’esterno allo stesso modo in tutte le direzioni.

È questa asimmetria – sia nell’emissione di neutrini dal nucleo collassato che nel movimento dell’onda d’urto stessa – che produce l’effetto di memoria delle onde gravitazionali.

“La memoria è il risultato degli aspetti a frequenza più bassa di questi movimenti”, spiega Colter Richardson, dottorando presso l’Università del Tennessee a Knoxville, negli Stati Uniti e co-autore principale (con Haakon Andresen dell’Oskar Klein Centre svedese) di un articolo su Physical Review Letters che descrive come il rilevamento della memoria delle onde gravitazionali potrebbe funzionare sulla Terra.

Filtraggio del rumore sismico

In precedenza, molti fisici presumevano che non sarebbe stato possibile rilevare l’effetto memoria dalla Terra.

Questo perché si manifesta a frequenze inferiori a 10 Hz, dove il rumore degli eventi sismici tende a sommergere i rilevatori.

In effetti, l’astrofisica di Harvard Kiranjyot Gill sostiene che la rilevazione della memoria gravitazionale “richiederebbe una sensibilità eccezionale nell’ordine dei millihertz per separarla dal rumore di fondo e da altri segnali astrofisici”, una sensibilità che secondo lei i rivelatori terrestri semplicemente non hanno.

Anthony Mezzacappa, supervisore di Richardson al Tennessee, controbatte dicendo che mentre il segnale di memoria in sé non può essere rilevato, l’aumento di velocità può farlo.

“L’aumento del segnale corrisponde a una frequenza di 20-30 Hz, che è ben al di sopra di 10 Hz, al di sotto della quale la risposta del rivelatore deve essere meglio caratterizzata per ciò che possiamo rilevare sulla Terra, prima di scendere praticamente a 0 Hz dove viene raggiunta l’ampiezza finale della memoria”.

La chiave, spiega Mezzacappa, è una tecnica di “filtro abbinato” in cui i modelli di come dovrebbe apparire l’aumento di rampa vengono abbinati al segnale per distinguerlo dal rumore di fondo a bassa frequenza.

Utilizzando questa tecnica, le simulazioni del team mostrano che dovrebbe essere possibile per i rilevatori di onde gravitazionali terrestri come LIGO rilevare l’aumento anche se l’effetto di deformazione effettivo sarebbe minuscolo, circa 10^-16 cm “scalato alle dimensioni di un braccio di un rivelatore LIGO”, dice Richardson.

L’intoppo è che affinché l’accelerazione sia rilevabile, le simulazioni suggeriscono che la supernova dovrebbe essere vicina, probabilmente entro 10 kiloparsec (32:615 anni luce) dalla Terra.

Ciò la collocherebbe all’interno della nostra galassia, e le supernove galattiche non sono esattamente comuni.

L’ultimo ad essere osservato in tempo reale fu avvistato da Johannes Kepler nel 1604; Anche se ce ne sono stati altri da allora, abbiamo identificato i loro resti solo dopo il fatto.

Andare sulla Luna

Mezzacappa e colleghi sono ottimisti sul fatto che le tecniche astronomiche multi-messaggero come i rivelatori di onde gravitazionali e neutrini aiuteranno gli astronomi a identificare le future supernove della Via Lattea man mano che accadono, anche se la polvere cosmica (ad esempio) nasconde la loro luce agli osservatori ottici.

Gill, però, preferisce guardare al futuro. In un articolo in fase di revisione presso l’Astrophysical Journal Letters, e attualmente disponibile come preprint, cita due proposte per rivelatori sulla Luna che potrebbero trasformare la fisica delle onde gravitazionali ed estendere l’intervallo in cui i segnali di memoria gravitazionale possono essere rilevati.

La prima, chiamata Lunar Gravitational Wave Antenna, utilizzerebbe sensori inerziali per rilevare il tremolio della Luna mentre le onde gravitazionali si increspano attraverso di essa.

L’altra, nota come Laser Interferometer Lunar Antenna, sarebbe come una gigantesca versione triangolare di LIGO con bracci che si estendono per decine di chilometri aperti nello spazio.

Entrambi sono distinti dall’antenna spaziale laser interferometrica dell’Agenzia spaziale europea, il cui lancio è previsto per il 2030, ma è ottimizzata per rilevare le onde gravitazionali dai buchi neri supermassicci piuttosto che dalle supernove.

“I rivelatori lunari o i futuri osservatori spaziali oltre LISA supererebbero i limiti terrestri”, sostiene Gill.

Tali rivelatori, aggiunge, potrebbero registrare un effetto memoria da supernove a decine o addirittura centinaia di milioni di anni luce di distanza.

Questo enorme volume di spazio comprenderebbe molte galassie, rendendo la rilevazione di onde gravitazionali da supernovae a collasso del nucleo quasi di routine.

Il ricordo di qualcosa di lontano

In risposta, Richardson sottolinea che il metodo di filtraggio del suo team potrebbe funzionare anche a distanze più lunghe – fino a circa 10 milioni di anni luce, comprendendo il nostro Gruppo Locale di galassie e molte altre – in determinate circostanze.

Se una stella massiccia ruota molto velocemente, o ha un campo magnetico eccezionalmente forte, la sua eventuale esplosione di supernova sarà altamente collimata e quasi a getto, aumentando l’ampiezza dell’effetto memoria.

“Se l’ampiezza è significativamente maggiore, anche la distanza di rilevamento è significativamente maggiore”, afferma.

Qualunque sia la tecnologia coinvolta, entrambi i gruppi concordano sul fatto che rilevare la memoria delle onde gravitazionali è importante.

Potrebbe, ad esempio, dirci se una supernova ha lasciato dietro di sé una stella di neutroni o un buco nero, il che sarebbe prezioso perché le ragioni per cui si forma l’una e non l’altra rimangono una fonte di dibattito tra gli astrofisici.

“Integrando altre osservazioni multi-messaggero nello spettro elettromagnetico e nei neutrini, il rilevamento della memoria delle onde gravitazionali fornirebbe intuizioni senza precedenti sulla complessa interazione delle forze nelle supernove a collasso del nucleo”, dice Gill.

Richardson concorda sul fatto che una rilevazione sarebbe enorme e spera che il suo lavoro e quello di altri “motiverà nuove indagini nella regione delle basse frequenze dell’astronomia delle onde gravitazionali”.

 

Immagine: M. Sandoval/Oak Ridge National Laboratory