Il canto delle sirene gravitazionali4 min di lettura

Ulisse tappa le orecchie dei compagni con la cera e si fa legare all’albero maestro della nave per poter ascoltare il canto delle sirene. L’eroe comincia a dimenarsi furiosamente e a gridare, supplicando i compagni di liberarlo; ma i compagni, con la cera nelle orecchie non riescono a sentirlo.

Questa cosa la trovate in quel gran posto che è il British Museum di Londra.

Conoscete questa storia? È l’episodio del canto delle sirene nell’Odissea di Omero, canto XII. Ma tranquilli, non voglio parlarvi di letteratura classica oggi: voglio raccontarvi di una gran cosa che si può fare con le onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali sono pieghe che si propagano nello spaziotempo, generate da eventi come collisioni di buchi neri o stelle di neutroni. Le onde gravitazionali, essendo appunto deformazioni dello spaziotempo, modificano le distanze misurate tra due punti nell’universo. Per questo, un interferometro con due bracci lunghi qualche km sulla Terra, al passaggio di un’onda gravitazionale registrerà un segnale. Ma tutto questo lo sapevamo già e ne abbiamo parlato diverse volte (qui oppure, volendo, qua).

Ma cosa si misura esattamente? Proprio l’ampiezza dell’onda gravitazionale o se volete la distorsione dei bracci, pari a un decimillesimo delle dimensioni di un protone, una roba piccolissima.

Questa distorsione dipende essenzialmente dalla frequenza delle onde gravitazionali, anch’essa misurabile, e poi da alcune quantità che non conosciamo precisamente come sono la posizione della sorgente nel cielo, la distanza della sorgente da noi e il suo redshift.

Come si fa allora? Si prendono dei modelli in cui si inseriscono i dati riguardo ampiezza e frequenza dell’onda e in cui la posizione, la distanza e il redshift della sorgente sono parametri liberi di variare; fatto ciò si va a pescare il modello che meglio si accorda con i dati.

Nei casi in cui si potessero misurare posizione e redshift della sorgente in maniera indipendente, non solo gli errori statistici sarebbero ridotti, ma avremmo anche un’altra buona notizia: potremmo usare le onde gravitazionali per stimare la costante di Hubble, il parametro che ci racconta come l’universo si espande.

La NASA ci prova, ma l’immaginazione non basta nel pensare all’universo che si espande in tutte le direzioni.

Ma prima: quali sono questi casi? Per esempio, di recente abbiamo visto che quando due stelle di neutroni collidono in una galassia lontana si ha una kilonova che emette onde gravitazionali e, al contempo, lampi di raggi gamma. Se abbiamo a disposizione raggi gamma, cioè onde elettromagnetiche, allora possiamo misurare il redshift, lo spostamento della luce causato dal moto della galassia . Inoltre, possiamo determinare la posizione della sorgente con ottima precisione e capire in quale galassia è avvenuta la collisione.

Con la misura da una parte di frequenza e ampiezza delle onde gravitazionali e dall’altra parte di redshift e posizione della sorgente, ecco che abbiamo trovato un modo per stimare la distanza della sorgente senza usare cefeidi o supernovae, ovvero quelle che si chiamano candele standard. E, se possiamo stimare distanze e redshift in maniera indipendente le une dagli altri, allora possiamo stimare anche la costante di Hubble.

Questo vuol dire che possiamo ottenere un valore della costante di Hubble in maniera completamente indipendente da come lo abbiamo ottenuto finora nella storia della ricerca astrofisica. Si è provato a ottenere una prima stima con la kilonova del 17 agosto 2017 e si è ottenuto un valore di 70 km/s/Mpc con un errore di circa 10 km/s/Mpc, un errore abbastanza ampio visto quello che siamo abituati in astrofisica. Il motivo di questo errore così grande è che la stima è stata fatta usando solo un evento, la kilonova del 17 agosto appunto. Il valore ottenuto è comunque consistente con le attuali stime della costante di Hubble ottenuta con altri metodi. Quando in futuro saremo in grado di misurare più kilonovae, ecco che avremo più dati e quindi una stima della costante di Hubble più accurata tramite questo metodo.

A proposito, non l’avevo detto ancora: le sorgenti astrofisiche che emettono sia onde gravitazionali sia onde elettromagnetiche sono chiamate sirene standard.

Questa idea di usare le onde gravitazionali per stimare la costante di Hubble è saltata fuori per la prima volta il 25 settembre 1986 in questo articolo scientifico di Bernard F. Schutz; tuttavia l’espressione sirene standard è apparso la prima volta in questo articolo di Daniel E. Holz e Scott A. Hughes del 2005 (piccola nota: nell’articolo di Holz e Hughes si ringraziano Sean Carroll e Sterl Phinney, a quanto pare veri padri della locuzione sirene standard).

Comunque, oltre all’ottimismo per il futuro in quanto potremo avere a disposizione un nuovo metodo per misurare la costante di Hubble, dobbiamo guardare anche al presente. Al momento c’è un po’ di tensione (termine scelto non a caso) per quanto riguarda le stime ottenute, tramite diversi metodi, della costante di Hubble. Quando dico diversi metodi intendo non solo candele standard, ma anche radiazione cosmica di fondo. Di questo ne abbiamo già parlato nell’ultimo paragrafo in questo vecchio post su Quantizzando: le candele standard danno un valore di 72 km/s/Mpc, la radiazione di fondo 67 km/s/Mpc e le due misure non sono in accordo neanche considerando gli errori associati (poi ci sarebbero anche i dati delle survey di galassie che sembrano essere consistenti con quelli del radiazione di fondo).

C’è un gran dibattito su questa discrepanza, o se volete, tensione tra i diversi valori stimati della costante di Hubble. Un riassunto recente lo potete trovare in questo articolo, il cui titolo posto sotto forma di domanda direi che dice tutto sulla situazione attuale. L’idea è che magari questa discrepanza di stime potrebbe essere indizio del fatto che l’energia oscura sia fatta in una certa maniera, oppure che ci sia una specie in più di neutrini o chissà vattelapesca.

 

Non sono proprio tutti d’accordo sulla misura della costante di Hubble. Quelle frecce in alto sono proposte di soluzione al problema per far tornare i conti (tratto da Riess et a. 2016).

Una cosa è certa: se una sola sorgente di onde gravitazionali ha già ottenuto una stima consistente con quelle precedenti ottenute con metodi diversi, allora pensate cosa potranno fare dieci, cento, mille sorgenti di onde gravitazionali.

A differenza di Ulisse, il canto delle sirene standard è molto più dolce di quello delle sirene omeriche; se vogliamo comunque trovare qualcosa in comune tra Ulisse e gli astrofisici, sicuramente c’è la voglia di ascoltare quel canto e di provare a scoprire di qualcosa sull’universo che nessuno ancora conosce.

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