Il canto delle sirene gravitazionali

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.

Piccola guida per leggere un articolo scientifico di astrofisica

Avete mai letto un articolo scientifico di astrofisica? Non è poi così terribile: in questo post, dedicato a chi volesse provarci, racconto come provare a darci un’occhiata.

Questo non è un post del tipo “Ecco come dovete fare”, “Adesso vi illumino”, ma piuttosto qualcosa del tipo “Ci sono riuscito io, ce la possono fare tutti”. Vorrei solo dare alcuni consigli a chi volesse cimentarsi, almeno per muovere i primi passi.

L’iter di un articolo scientifico

Ogni articolo, una volta scritto, viene inviato a un giornale specializzato; il giornale affida poi l’articolo a un revisore, quasi sempre qualche altro/a astrofisico/a che lavora nello stesso campo di ricerca di cui si parla nell’articolo. Il revisore è di solito anonimo e, dopo qualche settimana, consegna alcuni commenti e proposte agli autori dell’articolo. Gli autori a questo punto inseriscono nell’articolo le richieste del revisore e glielo inviano di nuovo per l’approvazione finale. Questo nel migliore dei casi, altrimenti la storia si allunga con ulteriori scambi. Dico questo per dirvi che quando vediamo gli articoli pubblicati su un giornale astrofisico specializzato, esso ha già avuto un bel percorso tortuoso, non necessariamente indolore. Certo, gli errori sono sempre possibili e a volte anche marchiani: ma teniamo in mente che questo processo è avvenuto. Poi ci sono anche gli articoli preprint, di solito caricati su ArXiv.org; questi articoli non hanno (ancora) subito il processo di revisione, e di solito sono caricate per ricevere un giudizio aperto da tutta la comunità astrofisica.

Prima di tutto, una premessa

Non si deve neanche pensare che un articolo scientifico di astrofisica sia un testo crittografato e accessibile solo a chi possiede determinate capacità. Certo, i tecnicismi non mancano visto che si tratta di un documento scritto perlopiù per altri astrofisici che per il pubblico, ma come vedremo, in un certo senso possiamo beatamente…ehm, lasciar perdere i tecnicismi. Unico requisito fondamentale: conoscere un po’ di inglese, of course.

Detta così, sembra che voglia tirarmi la zappa sui piedi: provo a fare divulgazione proprio per fare da mediatore tra scienziati e pubblico e poi scrivo un post per provare a spiegare come fare a meno dei divulgatori? In realtà, lo scopo della divulgazione è proprio quello di avvicinare reciprocamente sempre più pubblico e scienza. Gli articoli scientifici non devono essere visti come testi sacri; essi sono il modo in cui buttiamo giù le idee su come funziona l’universo. In un certo senso, se volete, il contenuto di un articolo scientifico è una prova di traduzione di quel libro che chiamiamo l’universo (per dirla alla Galileo Galilei, sbam!). Poi ci sono gli articoli che traducono bene e quelli che traducono meno bene: ma vabbé, questo è il nostro metodo di traduzione da fenomeni fisici a leggi matematiche, ed è una strada abbastanza difficile da percorrere a volte.

Sarebbe bello se voi che leggete Quantizzando poteste provare a godere un po’ di quel senso di meraviglia che hanno gli astrofisici mentre scoprono l’universo non solo tramite le parole divulgative, ma anche un pochino tramite le parole degli scienziati stessi.

Per farlo, innanzitutto racconterò com’è fatto generalmente un articolo scientifico e poi proverò a descrivere uno in particolare che secondo me è scritto davvero bene e inoltre contiene una scoperta molto importante.

Com’è fatto un articolo scientifico?

Di solito, togliendo titolo e bibliografia, gli articoli scientifici di astrofisica si dividono in 5 parti:

1) Abstract: un brevissimo riassunto in cui c’è scritto tutto quello che c’è da sapere. Può essere molto criptico per chi non conosce “le puntate precedenti”, cioè gli articoli passati della letteratura scientifica. Non lo consiglio come punto di partenza, bensì come punto di arrivo (a meno di casi eclatanti).

2) Introduzione: qui vengono descritte un po’ le motivazioni alla base della ricerca fatta nell’articolo. O meglio, viene data la risposta alla domanda “Perché abbiamo scritto questo articolo?”. Questo è il punto di partenza che mi sento di consigliare. Se l’introduzione è scritta bene, il paper è scritto bene, regola generale. Di solito, nell’introduzione viene anche fornito una specie di indice dell’articolo, molto in breve.

3) Descrizione dei dati: in questa parte, spesso molto tecnica, vengono descritte tutte le modalità con cui sono stati raccolti i dati usati per la ricerca. Questa parte è principalmente per chi ne capisce, ma anche chi non ne capisce niente di dati può trarre utili informazioni (per esempio, quali telescopi/satelliti sono stati utilizzati, se sono state usate galassie vicine o lontane, roba così). Tutte informazioni che poi saranno utili in fase di commento delle conclusioni.

4) Metodologia e risultati: qui viene descritto come sono stati analizzati i dati, quali correlazioni si è andati a cercare e soprattutto come sono state misurate queste correlazioni e (importantissimo!) come sono stati calcolati gli errori. Qui si trova spesso molta statistica, e quindi equazioni. Tutto ciò non viene messo per spaventare o impressionare: le parti 3) e 4) sono così dettagliate per permettere a chiunque di provare a riprodurre la ricerca descritta nell’articolo.

5) Discussione/Conclusioni: bene, a questo punto è il momento di tirare le somme e in questa sezione si risponde a domande del tipo “Cosa ci dicono dunque questi dati?” “Cosa possiamo dedurre dalla nostra ricerca?”. Il 90% delle volte c’è la frase “Ulteriori studi sono necessari per capire meglio bla bla bla…” ma è normale, non è un segno di inconcludenza. Funziona così, a piccoli passi, la scienza.

Che cosa leggere prima?

Detto ciò, qual è il mio consiglio nel caso voleste leggere un articolo scientifico di astrofisica? Il mio consiglio è di leggerlo quasi come lo leggerebbe un astrofisico e cioè: prima l’introduzione, poi la parte discussione/conclusioni e infine l’abstract. Un astrofisico, in realtà, leggerebbe prima l’abstract, ma solo perché già ha un’idea di dove l’articolo va a parare. Chi invece legge con calma, con meno pressione, può prendersi più tempo, e poi fissare le idee principali dell’articolo alla fine leggendo l’abstract. Sembra una cosa insolita, ma provate e poi mi dite se funziona.

Cosa ci facciamo con le parti centrali di descrizione dei dati e della metodologia? Si tratta sicuramente delle parti più tecniche e approfondite; leggere queste parti potrebbe prendere molto tempo è molti dettagli potrebbero sembrare persino oscuri, sicuramente non banali. Imparare a maneggiare la lettura di queste sezioni è difficile, ma ehi tranquilli, per avere un quadro della situazione a livello base non è strettamente necessario addentrarsi nel labirinto di queste sezioni. Almeno all’inizio, lasciatele perdere, anche se, va detto, sono il cuore della ricerca.

Proviamo ad applicare questo schemino che ho proposto alla lettura di un gran bell’articolo di astrofisica, un articolo che ha spianato la strada al premio Nobel per la fisica del 2011: la scoperta dell’esistenza dell’espansione accelerata dell’universo tramite lo studio delle supernovae di tipo Ia, scoperta che ha confermato l’esistenza di una componente dell’universo chiamata costante cosmologica (o energia oscura).

Proviamo a leggere insieme un articolo scientifico

L’articolo di cui voglio parlare è del 1998 e lo trovate qui:

Riess A. et al, Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant

Immaginate di aver scritto un paper nel 1998 per poi vincere il Nobel nel 2011.

Adam G. Riess, Saul Perlmutter e Brian P. Schmidt hanno vinto il premio Nobel per la fisica nel 2011.

Vediamo se riusciamo a capire l’articolo scritto da Riess usando lo schema di lettura che vi ho dato prima. Iniziamo.

Lasciamo perdere l’abstract, che come vedete contiene simboli e numeri che al momento ci dicono poco, e passiamo diritti all’introduzione. La prima frase è già illuminante: in questo articolo sono stati analizzati i dati di 10 supernovae di tipo Ia con lo scopo di ottenere i parametri cosmologici, e se finite di leggere tutto il primo paragrafo, vi viene anche detto quali sono i parametri cosmologici che interessano questo articolo: la densità di materia e l’energia del “vuoto” nell’universo. Lo scopo dell’articolo è chiarissimo.

Dopo ciò viene raccontata la storia delle osservazioni con le supernovae: se si legge si capisce che subito che lo scopo non è raccontare una storia, bensì dare un’idea delle problematiche connesse a questo tipo di osservazioni. A questo voi, dettagli tecnici a parte vi siete già fatti l’idea che gli autori stanno provando a fare qualcosa di importante con le supernovae, cioè capire cosa c’è nell’universo.

Balziamo alla sezione 5, quella delle discussioni. Come potete vedere, quello che si fa qui è richiamare constantemente le sezioni precedenti ma senza entrare nei dettagli di quello che si è già detto: qui tocca iniziare a trarre delle conclusioni. E quindi viene raccontato con più parole che equazioni cosa si è trovato di nuovo con le supernovae a disposizione, poi si passano in rassegna eventuali problemi o questioni da tenere in conto, già ben esplicite dal titolo delle sotto-sezioni. Nella sezione 6, le conclusioni sono presentate come elenco puntato, una pacchia praticamente: in particolare viene detto che i dati sono in accordo con un universo che accelera e che contiene energia oscura.

E ora finalmente torniamo all’abstract. Al di là di tutto, sicuramente è meno criptico dello sguardo dato inizialmente: guardiamolo insieme.

Si parla delle 10 supernovae, che vengono analizzate insieme a un campione già esistente sempre di supernovae, che vengono stimati alcuni parametri cosmologici (e sono elencati); poi arriva la parte criptica che vi dicevo, quella in cui vengono detti in breve alcuni metodi di analisi usati per infine arrivare al fatto più importante, e cioè che non c’è modo di far andare d’accordo i dati con un universo senza energia oscura. Quindi l’universo accelera e contiene anche energia oscura/costante cosmologica, che ci piaccia o meno.

Può essere utile saper leggere un articolo scientifico?

Ora, non sto dicendo che siccome si può fare allora tutti dovrebbero essere in grado di leggere un articolo scientifico.

Voglio solo dire che, magari, leggere un articolo astrofisico che racconta la ricerca senza intermediari può essere un modo per restare collegati al modo in cui mandiamo avanti le nostre conoscenze sull’universo. Come dire, io per primo non so come è fatto un tostapane e non sarei mai in grado di costruirlo; ma almeno so che è un dispositivo dove una qualche resistenza viene scaldata mentre ci passa dentro della corrente elettrica. Cioè il minimo indispensabile più un altro po’.

Ecco, se si vuole anche in astrofisica si potrebbe provare auto-educarci a imparare il minimo indispensabile più un altro po’. È bello sapere che ci sono le onde gravitazionali, ed è bello sapere perché esistono (il minimo indispensabile); ma non è male sapere come vengono misurate, quali quantità si possono misurare, riuscire a leggere un grafico importante (l’altro po’).

Imparare a leggere un articolo scientifico è anche utile per vedere come la scienza non sia qualcosa di chiuso bensì qualcosa di più accessibile. Nel senso che magari, sapere dove sono le informazioni immediatamente più importanti di un articolo scientifico potrebbe aiutarci nel sentire più vicino il lavoro degli astrofisici, i quali fanno un lavoro che spazia per milioni, se non miliardi, di anni luce. Tutta l’umanità beneficia del lavoro degli astrofisici, tutti noi veniamo a conoscenza di cose nuove su come funziona l’universo. Tutta questa conoscenza è lì, pubblica e accessibile. Magari richiede uno sforzo enorme perché non siamo abituati a leggere articoli scientifici di astrofisica, vero: ma tutto quello che abbiamo provato a studiare e tutto quello che pensiamo di aver capito sull’universo può essere letto da chiunque.

Con tutte le difficoltà connesse, a me questa sembra una cosa bellissima, quasi romantica e mi andava di condividerla con tutti voi in questo post.

Una griglia di pulsar per misurare le onde gravitazionali

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