Le onde gravitazionali “ci daranno le informazioni dalla nascita dell’universo”

 

L’astrofisico e premio Nobel Kip Thorne racconta i risultati i che rivelano le onde gravitazionali dell’universo e cosa significano per la nostra comprensione del cosmo.

 

 

A giugno, un team di ricercatori supportato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti ha annunciato di aver trovato la prima prova dello sfondo di onde gravitazionali che pervade l’universo.

I risultati del North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), un team collaborativo di oltre 50 istituzioni negli Stati Uniti e all’estero, hanno confrontato le osservazioni di pulsar di oltre 60 millisecondi raccolte nell’arco di 15 anni.

Queste stelle ruotano centinaia di volte al secondo ed emettono impulsi radio. Il team ha scoperto variazioni nei “tassi di ticchettio” di quelle pulsar – variazioni che sono correlate in un modello unico prodotto da onde gravitazionali a bassa frequenza che distorcono il tessuto della realtà fisica noto come spazio-tempo.

Queste correlazioni sono prove convincenti che NANOGrav sta vedendo le onde gravitazionali.

La scoperta è stata il culmine di quasi 50 anni di sforzi, ha detto Kip Thorne, un fisico teorico che ha condiviso il premio Nobel per la fisica 2017 per lo sviluppo del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) finanziato dalla NSF.

NANOGrav affonda le sue radici nel lavoro iniziato nel 1977, quando una coppia di ricercatori, Mikhail Sazhin e Steven Detweiler, concepì l’idea di utilizzare i tempi delle pulsar per cercare le onde gravitazionali.

Nel 2015, LIGO, utilizzando un metodo diverso, ha rilevato per la prima volta onde gravitazionali che hanno periodi di oscillazione di circa un centesimo di secondo.

Al contrario, le onde rilevate da NANOGrav hanno periodi di oscillazione che possono variare da anni a decenni.

“Sono stato così ansioso di vedere questo risultato raggiunto, perché la scienza che verrà fuori da questo a lungo termine, nei prossimi anni e decenni, sarà davvero meravigliosa”, ha detto Thorne.

Thorne dice che NSF è essenziale per la sua carriera. “Non c’è modo in cui avrei potuto fare la scienza che ho fatto senza la National Science Foundation”.

Oltre a ricevere numerosi riconoscimenti scientifici durante la sua carriera, Thorn è stato consulente scientifico per il film “Interstellar” e ha visto la sua amicizia con Stephen Hawking ritratta sul grande schermo nel film “La teoria del tutto”.

Thorne ha parlato con NSF delle implicazioni della scoperta di NANOGrav e di “un modo completamente nuovo di esplorare l’universo”.

 

Perché è importante studiare le onde gravitazionali?

Thorne: Le leggi della fisica dicono che ci sono solo due tipi di onde che possono essere create nell’universo lontano e viaggiare verso la Terra portandoci informazioni su ciò che è là fuori: onde elettromagnetiche (luce, onde radio, raggi X e altre), che è quello che abbiamo sempre usato fino ad ora, e onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali come le intendiamo ci porteranno tipi molto diversi di informazioni sull’universo che non potreste mai vedere con le onde elettromagnetiche.

Ad esempio, le onde gravitazionali create alla nascita stessa dell’universo hanno viaggiato indenni attraverso tutta la materia calda dell’universo primordiale, mentre l’universo si espandeva.

Non si sono disperse. Non sono state assorbite. Portano le informazioni dalla nascita dell’universo fino a noi oggi.

È possibile, anche se non altamente probabile, che alcune delle onde viste da NANOGrav provengano da quell’era primordiale.

E nuovi tipi di strumenti che entreranno online nei prossimi decenni vedranno quasi sicuramente quelle onde primordiali.

 

Quanto è importante per il campo dell’astrofisica confermare l’esistenza delle onde gravitazionali?

Thorne: La massima importanza è il ritorno in termini di astronomia osservativa nei prossimi decenni e secoli.

Se si ripensa a Galileo, circa 400 anni fa, puntò il suo telescopio ottico su Giove e scoprì le quattro grandi lune di Giove e creò o iniziò l’astronomia elettromagnetica basata su strumenti.

E guardate dove siamo ora: quale rivoluzione radicale nella nostra comprensione dell’universo è venuta da quegli strumenti con onde elettromagnetiche dai tempi di Galileo.

Le onde gravitazionali in collaborazione con le onde elettromagnetiche, attraverso quella che chiamiamo astronomia multi-messaggero, sono la base per il futuro dell’astronomia.

Tra diversi secoli, quando i nostri discendenti guarderanno indietro a quest’era, penso che diranno che uno dei grandi contributi che abbiamo dato loro è la nostra comprensione dell’universo attraverso le onde gravitazionali e le onde elettromagnetiche che lavorano insieme.

 

I risultati di LIGO hanno superato le vostre aspettative?

Thorne: Le mie aspettative per LIGO erano molto alte. Non direi che i risultati li hanno superati. In effetti, sono stati più o meno quello che mi aspettavo.

È abbastanza notevole che già nei primi anni 80, mi sembrava chiaro che la prima cosa che avremmo visto sarebbe stata molto probabilmente la collisione dei buchi neri, e questo è ciò che è effettivamente accaduto nel 2015.

Mi è sembrato anche chiaro che avevamo davvero bisogno di avere la capacità di simulare buchi neri in collisione per comprendere i segnali abbastanza bene da analizzare i dati di LIGO.

Penso che forse il mio più grande contributo sia stato assicurarmi che i miei colleghi che fanno relatività numerica perfezionassero quelle simulazioni. Ed eccoci qui.

Con la quarta corsa di dati avanzata di LIGO, ora stiamo vedendo un paio di piccoli buchi neri, delle dimensioni di una piccola città, scontrarsi circa una volta a giorni alterni, ed è semplicemente fantastico. È meravigliosa la scienza che sta venendo fuori per iniziare a comprendere da dove provengono queste binarie di buchi neri e usare le loro collisioni per testare la relatività generale con altissima precisione.

Ed è probabile che la maggior parte delle onde viste da NANOGrav provengano da collisioni di giganteschi buchi neri, anche se non ne siamo ancora sicuri.

 

Cosa pensi che sarà confermato nei prossimi dieci anni o due?

Thorne: Una delle cose più importanti per me è testare la relatività generale nel regime in cui lo spazio-tempo è altamente disturbato, oscillando rapidamente con grandi ampiezze.

Questo è il regime delle collisioni dei buchi neri che in sostanza creano una tempesta nel tessuto o nella forma dello spazio e nella velocità e nel flusso del tempo.

Le onde gravitazionali che vediamo sono proprio quello che ci si aspetterebbe da quella tempesta spazio-temporale. Questa è la cosa più eccitante per me.

La mia unica delusione è che la maggior parte delle onde provenienti dalla parte più violenta della tempesta scendono nel buco nero finale e non escono da noi.

Quello che spero è che man mano che LIGO migliora, e man mano che nuovi tipi di strumenti come NANOGrav arrivano online, otteniamo una precisione molto più elevata e vedremo buchi neri finali con rotazioni più grandi, e questo ci porterà più onde gravitazionali provenienti dalla parte violenta della tempesta spazio-temporale di quello che abbiamo visto.

 

Immagini: Aurore Simonet/NSF NANOGrav Physics Frontiers Center, Nicolle R. Fuller / NSF, Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav) / Swinburne University,  Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab