Una griglia di pulsar per misurare le onde gravitazionali5 min di lettura

Le onde gravitazionali sono diventate, negli ultimi anni, uno degli argomenti più gettonati su cui discutere. Ormai ogni notizia riguardo le onde gravitazionali viene presa, ripresa e rigirata come un calzino su tutti i media.

In realtà, insomma, proprio tutte le notizie no. Probabilmente non avrete sentito tanto parlare in questi giorni di un articolo scientifico uscito l’8 gennaio 2018 e che parla di ricerca delle onde gravitazionali con le pulsar.

Se non ne avete sentito parlare, non è perché non sia importante, ma perché (spoiler subito) non è stata fatta una scoperta sensazionale tale da giustificare clamore. Eppure, a mio avviso ci sono diversi motivi per parlarne: primo, i risultati dell’articolo contengono l’analisi di 11 anni di dati, come vedremo; secondo, non è che si deve parlare di astrofisica solo se è stata fatta una scoperta, vanno finanziati anche quei progetti che sembrano non portare a nulla ma che invece potenzialmente potrebbero rivoluzionare la nostra comprensione dell’universo; terzo, approfittiamo per spiegare un po’ di cose, così magari provo a raccontarvi perché è importante per l’astrofisica.

Quindi, prima di arrivare all’articolo uscito l’8 gennaio, dobbiamo per forza di cose fare un giro largo, come sempre facciamo su Quantizzando. Ma alla fine arriviamo, non vi preoccupate, ne vale la pena.

Breve ripasso sulle onde gravitazionali

(Se sapete già tutto sulle onde gravitazionali potete saltare questo breve paragrafo, che ne so, magari avete già letto questo.)

Tutti i sistemi fisici possono essere descritti con coordinate che si riferiscono a quello che si chiama spazio-tempo, ovvero l’insieme di tre dimensioni spaziali più una temporale, in cui ogni dimensione dipende dall’altra. In pratica le dimensioni spaziali misurate dipendono dal sistema di rifemento scelto e, inoltre, anche il tempo misurato dipende dal sistema riferimento in cui viene misurato.

Tutto ciò comporta che, tra le varie cose, che la gravità possa essere spiegata come l’interazione tra massa e spazio-tempo. Detta meglio: la presenza di massa modifica la struttura dello spazio-tempo (cioè le coordinate del sistema di riferimento) e inoltre la struttura dello spazio-tempo dice alla massa come deve muoversi. Questa è la teoria della relatività, o almeno le parti di essa che ci interessano.

Quando ci sono le condizioni giuste, per esempio buchi neri o stelle di neutroni che si orbitano l’uno sull’altro, per quanto appena detto non solo lo spazio-tempo modifica la sua struttura, ma questa modifica può propagarsi nel resto dell’universo, sino ad arrivare a noi: queste sono le onde gravitazionali.

L’effetto di questa propagazione delle onde gravitazionali è che si propaga la struttura modificata dello spazio-tempo: in pratica se un’onda gravitazionale investe la Terra, allora la Terra, o meglio la porzione di spazio-tempo in cui si trova il nostro pianeta, verrà deformata.

Per questo motivo gli esseri umani hanno costruito degli strumenti, chiamati interferometri, che misurano eventuali distorsioni generate dalle onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali possono avere frequenze diverse

Le onde gravitazionali sono onde che si muovono alla velocità della luce e, in quanto onde, possono avere un variegato spettro di lunghezze d’onda e di frequenze. Onde gravitazionali di frequenze diverse sono generate da eventi astrofisici diversi, proprio come le onde elettromagnetiche.

Gli eventi che abbiamo cominciato a osservare con LIGO e Virgo sono eventi che hanno una frequenza medio-alta e sono legati a buchi neri e stelle di neutroni. Ma, come potete vedere dall’immagine qui sopra, ci sono anche onde gravitazionali di bassa frequenza, quelle di cui vi parlo oggi, che riguardano fenomeni anche un po’ diversi da quelli a cui siamo stati abituati negli ultimi mesi: per esempio, questo tipo di onde possono essere onde gravitazionali primordiali generate in un’epoca molto lontana, poco dopo il Big Bang, oppure onde gravitazionali generate dalla collisione di buchi neri supermassivi, quelli che solitamente si trovano al centro delle galassie.

Nell’immagine si fa riferimento a due metodi di osservazione per queste onde a bassa frequenza. Uno è osservare direttamente la radiazione cosmica di fondo (vi ricordate BICEP-2?) l’altro è per mezzo di una rete di pulsar.

Soffermiamoci su questo secondo metodo, visto che progetti come NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational-waves), EPTA (European Pulsar Timing Array), PPTA (Parkes Pulsar Timing Array) usano proprio una rete di pulsar (si usa come acronimo negli articoli PTA, cioè Pulsar Timing Array) per provare a osservare onde gravitazionali di bassa frequenza.

Griglie di pulsar

Le pulsar sono stelle di neutroni pulsanti che emettono segnali molto precisi. Con qualche antenna, da Terra, è possibile misurare questi impulsi, ricavare il periodo di pulsazione della pulsar e usare questi oggetti come orologi cosmici. Ma non solo: le pulsar possono essere usate anche come una rete per pescare le onde gravitazionali.

Immaginate, infatti, di poter osservare un sacco di pulsar nel cielo e che ognuna di esse invii segnali verso la Terra. Si può immaginare lo spazio-tempo come un oceano e le pulsar come delle boe cosmiche: in condizioni non perturbate, tutti i segnali della rete di pulsar-boe emettono segnali che vengono osservati sulla Terra con un particolare schema; però, ogni volta che un’onda gravitazionale perturba lo spazio-tempo, quindi si è in una situazione simile a quella delle boe che oscillano in un oceano e quindi lo schema di segnali emesso dalle pulsar viene alterato.

Siccome le pulsar sono oggetti molto, ma molto precisi, allora abbiamo una griglia di oggetti cosmci estremamente precisa per poter osservare le onde gravitazionali. O almeno, le onde gravitazionali a bassa frequenza, perché ogni strumento di osservazione (anche uno naturale come quello della griglia di pulsar) ha un suo obiettivo specifico.

A proposito di precisione: le pulsar che vengono usate nei Pulsar Timing Array hanno periodi di pulsazioni dell’ordine del millesimo di secondo. Si usa questo tipo di pulsar perché appaiono essere quelle più stabili sotto il punto di vista del cronometraggio. Dunque, ciò che si misura nei PTA sono i ritardi nelle pulsazioni, ritardi dovuti al passaggio di onde gravitazionali. In questo modo quasi incredibile si possono osservare onde gravitazionali da buchi neri supermassivi che collidono oppure, cosa ancor più incredibile, onde gravitazionali generate subito dopo il Big Bang.

Infine, pensate: per avere un’idea, i ritardi che si riescono a misurare nelle pulsazioni sono dell’ordine di 100 miliardesimi di secondo. Una precisione pazzesca.

Un po’ di risultati ottenuti finora

Come sta andando la ricerca con i PTA? Bene, considerando la difficoltà degli obiettivi. Con la griglia di pulsar si possono mettere vincoli sull’ampiezza dell’intensità totale delle onde gravitazionali provenienti da poco dopo il Big Bang o dalle collisioni di buchi neri supermassivi.

E, finalmente, arriviamo all’articolo uscito l’8 gennaio 2018.

L’articolo di cui parlo è della collaborazione NANOGrav (di cui fa parte anche Chiara Mingarelli, che vi consiglio di seguire su Twitter) e lo trovate a questo link.

L’articolo in questione raccoglie i risultati di 11 anni di analisi dei dati delle pulsar, in particolare di 45 pulsar (con periodo dell’ordine del millisecondo) dal 30 luglio 2004 al 31 dicembre 2015. Che cosa è venuto fuori da tutti questi dati? Diverse cose interessanti, ve ne racconto due su tutte.

La prima è che è stato ancora una volta posto un limite superiore sull’intensità, per esempio, delle onde gravitazionali primordiali; cioè, è stato trovato un valore e possiamo dire (con un 95% di livello di confidenza) che se le onde primordiali ci sono, allora devono avere un’intensità minore di quel valore.

La seconda cosa, forse un po’ tecnica ma notevole, è che per ottenere i risultati dell’articolo si è dovuto procedere con un’attenta analisi statistica (descritta bene nell’articolo) e ovviamente facendo alcune assunzioni. Per esempio, tra le varie cose, è necessario impostare le coordinate dei pianeti del sistema solare, quelle che si chiamano effemeridi. Perché? Perché per misurare con estrema precisione i tempi di arrivo dei segnali delle pulsar bisogna fissare un sistema di riferimento preciso in cui effettuare le misure.

Solo che esistono vari modelli per le effemeridi del sistema solare e quindi bisogna stare attenti a inserire bene nell’analisi dati anche le incertezze riguardo le effemeridi. E sapete che cosa hanno scoperto quelli del team di NANOGrav? Che le incertezze relative alle effemeridi del sistema solare possono addirittura risultare in un finto segnale di onde gravitazionale quando si vanno ad analizzare i dati. Quindi bisogna stare attentissimi.

Qual è la buona notizia? Il team di NANOGrav ha tenuto conto delle incertezze delle effemeridi è comunque è venuto fuori una stima di un limite superiore per le intensità delle onde gravitazionali.

Insomma, tutto è bene quel che finisce bene. Sentiremo ancora parlare di Pulsar Timing Array in futuro: se ci sarà l’osservazione delle onde gravitazionale primordiale, riusciremo finalmente a osservare l’universo in un’epoca estremamente remota, ben oltre la formazione della radiazione cosmica di fondo (CMB). Sarebbe qualcosa di meraviglioso.

Ultima cosa davvero molto importante: i dati e i codici usati dal team di NANOGrav sono pubblici.

La scienza è più bella quando la possono fare tutti.

 

Per saperne di più

Rassegna sul sito di NANOGrav

Articolo di C. Mingarelli su Scientific American

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