Una mare di onde gravitazionali!

 La notizia era attesa per stasera, nel corso di una conferenza stampa preannunciata nei giorni scorsi e che andrà effettivamente in onda dalle 19 ora italiana. Ma già ieri, grazie ad una serie di articoli pubblicati su "The Astrophysical Journal" Letters, le anticipazioni sono trapelate e persino il celebre sito "Astronomy Picture Of the Day" (APOD) ha giocato d'anticipo, dedicando all'argomento una immagine stamattina.

 L'annuncio viene dal "North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves" (NANOGrav) del "Physics Frontiers Center" (PFC), una collaborazione di oltre 190 scienziati degli Stati Uniti e del Canada che utilizzano le pulsar per cercare onde gravitazionali. Collaborazioni internazionali che utilizzano telescopi in Europa, India, Australia e Cina hanno riportato in modo indipendente risultati simili.

 In realtà, già i risultati precedenti di NANOGrav avevano mostrato un enigmatico segnale di temporizzazione comune a tutte le pulsar osservate, ma era troppo debole per rivelarne l'origine. L'analisi di dati di 15 anni dimostra che il segnale è coerente con le onde gravitazionali lentamente modulate che attraversano la nostra Galassia. "Questa è una prova chiave per le onde gravitazionali a frequenze molto basse", afferma il dott. Stephen Taylor della Vanderbilt University, che ha co-condotto la ricerca ed è l'attuale presidente della collaborazione. "Dopo anni di lavoro, NANOGrav sta aprendo una finestra completamente nuova sull'universo delle onde gravitazionali".

Illustrazione: Olena Shmahalo

 Come illustrato artisticamente qui sopra, le coppie di buchi neri supermassicci nei nuclei delle galassie producono onde elettromagnetiche a lunghezze d'onda che vanno dalle onde radio ai raggi gamma e possono essere rilevate dai telescopi sulla Terra e nello spazio. Producono anche onde gravitazionali che ora possono essere studiate attraverso i loro effetti sui segnali emessi una serie di pulsar radio estremamente veloci e regolari, dei veri "orologi atomici cosmici" chiamati "pulsar al millisecondo".

 A differenza delle fugaci onde gravitazionali ad alta frequenza (centinaia di Hertz) viste da interferometri dedicati come LIGO e Virgo e generate nelle ultime fasi della fusione tra buchi neri o altri oggetti collassati di poche decine di masse solari, questo segnale continuo a bassa frequenza potrebbe essere percepito solo con un rivelatore molto più grande della Terra. Per aggirare questo limite, gli astronomi hanno trasformato il nostro settore della Via Lattea in un'enorme "antenna" per onde gravitazionali, utilizzando una rete di 68 pulsar per creare un diverso tipo di rivelatore, chiamato "pulsar timing array". Il prefisso NANO del progetto allude appunto alla frequenza estremamente bassa delle onde gravitazionali rilevate, dell'ordine di alcuni nanoHertz (10 nHz corrispondono ad un periodo di oscillazione di circa 3 anni).

Il crescente numero di osservazioni accumulate nelle varie analisi passate (ogni pulsar è identificata da una colonna verticale), presentate durante la conferenza stampa dalla bella ricercatrice Thankful Cromartie (nel riquadro) - Credits: NANOGrav collaboration / NSF

 Alla fine, in 15 anni si sono accumulate oltre 2200 misure condotte su 68 pulsar, utilizzando l'Osservatorio di Arecibo a Porto Rico, il Green Bank Telescope nel West Virginia e il Very Large Array nel New Mexico. "Le pulsar sono in realtà sorgenti radio molto deboli, quindi abbiamo bisogno di migliaia di ore all'anno sui telescopi più grandi del mondo per eseguire questo esperimento", spiega la dott.ssa Maura McLaughlin della West Virginia University e co-direttrice del NANOGrav PFC. "Questi risultati sono resi possibili grazie al continuo impegno della National Science Foundation (NSF) nei confronti di questi osservatori radio eccezionalmente sensibili".

 La teoria della relatività generale di Einstein prevede esattamente come le onde gravitazionali dovrebbero influenzare i segnali delle pulsar. Allungando e comprimendo il tessuto dello spazio, le onde gravitazionali influenzano la tempistica di arrivo ciascun impulso in modo piccolo ma prevedibile, ritardandone alcuni mentre ne fanno avanzare altri. Questi spostamenti sono correlati per tutte le coppie di pulsar in un modo che dipende dalla distanza tra le due stelle nel cielo. "Il gran numero di pulsar utilizzate nell'analisi NANOGrav ci ha permesso di vedere quelli che pensiamo siano i primi segni del modello di correlazione previsto dalla relatività generale", afferma il dott. Xavier Siemens dell'Oregon State University, co-direttore del NANOGrav PFC. 

 Osservare così tante pulsar richiede un enorme investimento in persone, infrastrutture e tempo. Nel 2004, un piccolo gruppo di astronomi ha effettuato la prima serie di osservazioni di pulsar che avrebbero costituito la base di questo lavoro. Per quasi due decenni, il gruppo è cresciuto nel numero di persone e nella diversità delle competenze necessarie per eseguire questa complessa ricerca sulle onde gravitazionali. Lungo il percorso, la collaborazione NANOGrav ha preso forma, utilizzando le conoscenze e le competenze combinate dei membri per ampliare la raccolta di dati e migliorare l'analisi.

In alto a destra, mappa in coordinate glattiche delle Pulsar osservate dai vari radiotelescopi. A sinistra, la dipendenza tra correlazione nella perturbazione dei tempi di arrivo degli impulsi e separazione angolare tra le pulsar, messa a confronto con le predizioni basate sull'ipotesi di onde gravitazionali generate da una distribuzione di buchi neri supermassicci binari (curva nera) - Credits: NANOGrav collaboration / NSF

 Inizialmente, la strumentazione pulsar non era abbastanza precisa per raggiungere la sensibilità necessaria per questo esperimento. Il team ha lavorato per sviluppare la strumentazione di nuova generazione per i telescopi di Arecibo e Green Bank. Hanno setacciato le pulsar conosciute per trovare quelle sufficientemente precise da consentire la ricerca di onde gravitazionali a bassa frequenza e le hanno aggiunte alla matrice di temporizzazione delle pulsar. Parallelamente, ci sono stati progressi nella teoria e scoperte nelle tecniche di analisi dei dati che sono sintonizzate e ottimizzate per le moderne architetture informatiche.

 Lungo la strada, NANOGrav ha trovato molti usi per i suoi ricchi dati di temporizzazione delle pulsar, affrontando una vasta gamma di intriganti enigmi astrofisici. I dati e le metodologie di NANOGrav sono descritti in documenti complementari. "Questo segna la prima volta che abbiamo rilasciato il software utilizzato per produrre il nostro set di dati insieme ai prodotti di dati stessi", spiega il dott. Joseph Swiggum del Lafayette College, che ha guidato il documento sulla temporizzazione della pulsar. “Tutti gli strumenti necessari per riprodurre i nostri risultati sono ora pubblici, rendendo più facile il coinvolgimento di altri scienziati. Ciò favorirà miglioramenti al codice, aumenterà le nostre interazioni con la comunità e fornirà opportunità educative per gli studenti".

 Nel 2020, con poco più di dodici anni di dati, gli scienziati di NANOGrav hanno iniziato a vedere indizi di un segnale, un "ronzio" in più che era comune al comportamento temporale di tutte le pulsar nell'array, e quell'attenta considerazione di possibili spiegazioni alternative non poteva eliminare. La collaborazione era fiduciosa che questo segnale fosse reale e diventasse più facile da rilevare man mano che venivano incluse più osservazioni. Ma era ancora troppo debole per mostrare la firma dell'onda gravitazionale prevista dalla relatività generale. Ora, i loro 15 anni di osservazioni di pulsar stanno mostrando la prima prova della presenza di onde gravitazionali, con periodi che vanno da anni a decenni.

 La dottoressa Sarah Vigeland dell'Università del Wisconsin-Milwaukee che, con Taylor, sta guidando lo sforzo di NANOGrav per determinare la fonte del segnale, afferma: "Ora che abbiamo prove per le onde gravitazionali, il passo successivo è utilizzare le nostre osservazioni per studiare le fonti producendo questo ronzio. Una possibilità è che il segnale provenga da coppie di buchi neri supermassicci, con masse milioni o miliardi di volte la massa del nostro Sole. Mentre questi giganteschi buchi neri orbitano l'uno intorno all'altro, producono onde gravitazionali a bassa frequenza».cioè dell'ordine di 10^-8 Hertz.

 Si ritiene che i buchi neri supermassicci risiedano al centro delle galassie più grandi dell'Universo. Quando due galassie si fondono, i buchi neri di ciascuna finiscono per affondare al centro della galassia appena combinata, orbitando l'uno intorno all'altro come un sistema binario molto tempo dopo la fusione iniziale della galassia. Alla fine, i due buchi neri si uniranno. Nel frattempo, la loro lenta spirale si allunga e comprime il tessuto dello spazio-tempo, generando onde gravitazionali con la stessa frequenza del moto orbitale che può durare anni; esse si propagano lontano dalla loro galassia di origine come increspature in uno stagno, fino a raggiungere la nostra.

 Ci si aspetta che i segnali di onde gravitazionali provenienti da queste gigantesche binarie si sovrappongano, come voci in mezzo alla folla o strumenti in un'orchestra, producendo un "ronzio" di sottofondo generale che imprime uno schema unico nei dati di temporizzazione delle pulsar . Questo schema è ciò che gli scienziati di NANOGrav hanno cercato per quasi 20 anni. Nella sua suite di articoli appena pubblicati, NANOGrav dimostra le prove di questo sfondo di onde gravitazionali. 

 L'analisi dettagliata del ronzio di fondo sta già fornendo informazioni su come i buchi neri supermassicci crescono e si fondono. Data la forza del segnale che NANOGrav vede, la popolazione di buchi neri binari estremamente massicci nell'Universo deve essere di centinaia di migliaia, forse anche milioni. "A un certo punto, gli scienziati ritenevano che i buchi neri supermassicci nelle binarie avrebbero orbitato l'uno intorno all'altro per sempre, senza mai avvicinarsi abbastanza per generare un segnale come questo", afferma il dott. Luke Kelley, dell'Università della California, Berkeley, e presidente del NANOGrav's gruppo di astrofisica. “Ma ora finalmente abbiamo una forte evidenza che molti di questi sistemi binari estremamente massicci e ravvicinati esistono davvero. Una volta che i due buchi neri si saranno avvicinati abbastanza da essere visti dagli array di temporizzazione delle pulsar, nulla potrà impedire loro di fondersi entro pochi milioni di anni».

 Le future indagini su questo segnale alimenteranno la comprensione da parte degli scienziati di come l'Universo si è evoluto su scale più grandi, fornendo informazioni sulla frequenza con cui le galassie si scontrano e su cosa spinge i buchi neri a fondersi. Inoltre, le increspature gravitazionali del Big Bang stesso possono costituire una frazione del segnale, offrendo informazioni su come si è formato l'Universo stesso. Questi risultati hanno implicazioni anche alle scale più piccole, ponendo limiti al tipo di particelle esotiche che possono esistere nel nostro Universo. "Questa è una pietra miliare importante nello sforzo multiforme di NSF per sfruttare i segnali delle onde gravitazionali per ottenere una comprensione più chiara dei fenomeni alla frontiera astrofisica", afferma Michael Cavagnero, direttore del programma Physics Frontiers Centers di NSF.

 Nel corso del tempo, NANOGrav si aspetta di essere in grado di individuare i contributi di singole coppie di buchi neri supermassicci relativamente vicine. "Stiamo usando un rilevatore di onde gravitazionali delle dimensioni della galassia che è composto da stelle esotiche, il che mi lascia a bocca aperta", esclama il dott. Scott Ransom del National Radio Astronomy Observatory. "I nostri dati precedenti ci hanno detto che stavamo ascoltando qualcosa , ma non sapevamo cosa. Ora sappiamo che si tratta di musica proveniente dall'universo gravitazionale. Continuando ad ascoltare, probabilmente riusciremo a cogliere le note degli strumenti che suonano in questa orchestra cosmica. Combinando queste onde gravitazionali i risultati con gli studi sulla struttura e l'evoluzione delle galassie rivoluzioneranno la nostra comprensione della storia del nostro Universo".

 Il supporto della National Science Foundation (NSF) è stato fondamentale per il successo di NANOGrav fornendo supporto per il lavoro scientifico attraverso il programma Physics Frontiers Center e attraverso l'accesso a più radiotelescopi di livello mondiale. I futuri risultati di NANOGrav incorporeranno i dati del telescopio canadese CHIME, aggiunto al progetto nel 2019. 

 Gli astrofisici di tutto il mondo sono stati impegnati a inseguire questo segnale di onde gravitazionali. Diversi documenti pubblicati oggi dal Parkes Pulsar Timing Array in Australia, dal "Chinese Pulsar Timing Array" e dall' "European Pulsar Timing Array/Indian Pulsar Timing Array" riportano indizi dello stesso segnale nei loro dati. Attraverso il consorzio "International Pulsar Timing Array", le collaborazioni regionali stanno lavorando insieme per combinare i loro dati al fine di caratterizzare meglio il segnale e cercare nuovi tipi di sorgenti. "I nostri dati combinati saranno molto più potenti", afferma Taylor. "Siamo entusiasti di scoprire quali segreti riveleranno sul nostro Universo."