Come le onde gravitazionali potrebbero risolvere alcuni dei misteri più profondi dell’Universo

A metà degli anni 1980, Bernard Schutz ha trovato una nuova soluzione a uno dei problemi più antichi dell’astronomia: come misurare la distanza dalla Terra ad altri oggetti nel cosmo. Per generazioni, i ricercatori hanno fatto affidamento sulla luminosità di un oggetto come indicatore approssimativo per la sua distanza. Ma questo approccio comporta infinite complicazioni. Le stelle fioche e vicine, ad esempio, possono mascherarsi da quelle luminose che sono più lontane.,

Schutz, un fisico presso l’Università di Cardiff, Regno Unito, si rese conto che le onde gravitazionali potrebbero fornire la risposta. Se i rivelatori potessero misurare queste increspature nello spazio-tempo, provenienti da coppie interagenti di oggetti distanti, gli scienziati avrebbero tutte le informazioni necessarie per calcolare quanto forte doveva iniziare il segnale — e quindi fino a che punto le onde devono aver viaggiato per raggiungere la Terra. Quindi, ha predetto, le onde gravitazionali potrebbero essere marcatori inequivocabili di quanto velocemente l’Universo si sta espandendo.,

La sua idea era elegante ma poco pratica: nessuno al momento poteva rilevare le onde gravitazionali. Ma, lo scorso agosto, Schutz ha finalmente avuto l’opportunità di testare questo concetto quando i riverberi di una fusione di 130 milioni di anni fa tra due stelle di neutroni sono passati attraverso rivelatori di onde gravitazionali sulla Terra. Per fortuna, l’evento si è verificato in una galassia relativamente vicina, producendo una prima misura molto più pulita di quanto Schutz avesse sognato. Con quell’unico punto dati, Schutz è stato in grado di dimostrare che la sua tecnica potrebbe diventare una delle più affidabili per misurare la distanza., ” Era difficile da credere”, dice Schutz. “Ma c’era.”

Più fusioni del genere potrebbero aiutare i ricercatori a risolvere un dibattito in corso su quanto velocemente l’Universo attualmente si sta espandendo. Ma la cosmologia è solo una disciplina che potrebbe fare grandi guadagni attraverso rilevamenti di onde gravitazionali nei prossimi anni., Con una manciata di scoperte già alle loro spalle, gli scienziati delle onde gravitazionali hanno una lunga lista di ciò che si aspettano più dati da portare, inclusa la comprensione delle origini dei buchi neri dell’Universo; le condizioni estreme all’interno delle stelle di neutroni; una cronaca di come l’Universo si è strutturato in galassie; e i test più rigorosi ancora della teoria generale della relatività di Albert Einstein. Le onde gravitazionali potrebbero anche fornire una finestra su ciò che è successo nei primi istanti dopo il Big Bang.,

I ricercatori inizieranno presto a lavorare su questa lista, con l’aiuto dell’interferometro laser Gravitational-Wave Observatory (LIGO) con sede negli Stati Uniti, dell’osservatorio Virgo vicino a Pisa, in Italia, e di un rivelatore simile in Giappone che potrebbe iniziare a fare osservazioni l’anno prossimo. Otterranno una spinta in più dagli interferometri spaziali e da quelli terrestri che sono ancora sul tavolo da disegno — così come da altri metodi che potrebbero presto iniziare a produrre le loro prime rilevazioni di onde gravitazionali (vedi “Lo spettro delle onde gravitazionali”).,

Like many scientists, Schutz hopes that the best discoveries will be ones that no theorist has even dreamed of., “Ogni volta che inizi a osservare qualcosa di così radicalmente nuovo, c’è sempre la possibilità di vedere cose che non ti aspettavi.”

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Per un campo di ricerca che non ha ancora tre anni, l’astronomia delle onde gravitazionali ha consegnato scoperte a un ritmo sbalorditivo, superando anche le aspettative più rosee. Oltre alla scoperta nel mese di agosto della fusione di stelle di neutroni, LIGO ha registrato cinque coppie di buchi neri coalescenza in quelli più grandi dal 2015 (vedi ‘Making waves’)., Le scoperte sono la prova più diretta che i buchi neri esistono veramente e hanno le proprietà previste dalla relatività generale. Hanno anche rivelato, per la prima volta, coppie di buchi neri che orbitano l’un l’altro.

I ricercatori ora sperano di scoprire come tali abbinamenti è venuto per essere. I singoli buchi neri in ogni coppia dovrebbero formarsi quando le stelle massicce esauriscono il carburante nei loro nuclei e collassano, scatenando un’esplosione di supernova e lasciando dietro di sé un buco nero con una massa che va da poche a poche decine di Soli.,

Ci sono due scenari principali per come tali buchi neri potrebbero arrivare a circondarsi l’un l’altro: potrebbero iniziare come stelle massicce l’una nell’orbita dell’altra, e stare insieme anche dopo ogni va supernova. Oppure, i buchi neri potrebbero formarsi indipendentemente, ma essere guidati insieme in seguito da frequenti interazioni gravitazionali con altri oggetti — qualcosa che potrebbe accadere nei centri di densi ammassi stellari.,

In entrambi i casi, l’energia degli oggetti si disperde gradualmente sotto forma di onde gravitazionali, un processo che trascina la coppia in una spirale sempre più stretta e veloce, alla fine fondendosi in un altro buco nero massiccio. Ilya Mandel, un astrofisico teorico presso l’Università di Birmingham, Regno Unito, dice che per LIGO e Vergine per vedere tali coppie si fondono, buchi neri tipici devono aver iniziato la loro orbita reciproca separati da una distanza di meno di un quarto che tra la Terra e il Sole., ” Se inizi con i due buchi neri più lontani, ci vorrà più tempo dell’età dell’universo ” per farli fondere, dice Mandel.

Le cinque fusioni di buchi neri scoperte finora non sono sufficienti per determinare quale scenario di formazione domina. Ma in un’analisi di agosto dei primi tre rilevamenti, un gruppo tra cui Mandel e Will Farr, un astrofisico teorico e membro LIGO all’Università di Birmingham, ha suggerito che solo altre dieci osservazioni potrebbero fornire prove sostanziali a favore di uno scenario o dell’altro1., Ciò comporterebbe scrutare le onde gravitazionali per indizi su come ruotano i buchi neri: quelli che si accoppiano dopo la formazione indipendente dovrebbero avere spin orientati in modo casuale, mentre quelli con un’origine comune dovrebbero avere assi di spin paralleli tra loro e approssimativamente perpendicolari al piano in cui orbitano.

Ulteriori osservazioni potrebbero anche fornire informazioni su alcune delle domande fondamentali sulla formazione dei buchi neri e sull’evoluzione stellare., Raccogliere molte misurazioni di masse dovrebbe rivelare lacune-intervalli in cui esistono pochi o nessun buco nero, dice Vicky Kalogera, un astrofisico LIGO presso la Northwestern University di Evanston, Illinois. In particolare, “ci dovrebbe essere una scarsità di buchi neri all’estremità di bassa massa”, dice, perché supernove relativamente piccole tendono a lasciare stelle di neutroni, non buchi neri, come resti. E alla fascia alta-circa 50 volte la massa del Sole-i ricercatori si aspettano di vedere un altro cut-off., Nelle stelle molto grandi, si pensa che le pressioni al nucleo producano antimateria, causando un’esplosione così violenta che la stella si disintegra semplicemente senza lasciare alcun residuo. Questi eventi, chiamati supernove di instabilità di coppia, sono stati teorizzati, ma finora ci sono state scarse prove osservazionali per sostenerli.

Alla fine, i rilevamenti dei buchi neri delineeranno una mappa dell’Universo nel modo in cui le indagini sulle galassie fanno attualmente, dice Rainer Weiss, un fisico del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge che è stato il principale progettista di LIGO., Una volta che i numeri si accumulano, “possiamo effettivamente iniziare a vedere l’intero Universo nei buchi neri”, dice. “Ogni pezzo di astrofisica otterrà qualcosa da questo.”

Per far decollare queste osservazioni, LIGO e Virgo hanno in programma di migliorare la loro sensibilità, che rivelerà non solo più eventi, ma anche maggiori dettagli su ogni fusione. Tra le altre cose, i fisici sono ansiosi di vedere le onde dettagliate ‘ringdown’ che un buco nero post-fusione emana mentre si deposita in una forma sferica — un’osservazione che potrebbe potenzialmente rivelare crepe nella teoria generale della relatività.,

Avere più osservatori sparsi in tutto il mondo sarà anche cruciale. KAGRA, un rilevatore in costruzione nel sottosuolo in Giappone, potrebbe iniziare a raccogliere dati entro la fine del 2019. La sua posizione — e, in particolare, il suo orientamento rispetto alle onde in arrivo-completerà quelle di LIGO e Virgo e consentirà ai ricercatori di inchiodare la polarizzazione delle onde gravitazionali, che codifica le informazioni sull’orientamento del piano orbitale e sullo spin degli oggetti a spirale., E l’India sta progettando di costruire un altro osservatorio nel prossimo decennio, realizzato in parte con componenti di ricambio da LIGO.

Un tesoro ancora più grande di scoperte potrebbe venire dall’osservazione di fusioni di stelle di neutroni. Finora, i ricercatori hanno annunciato solo uno di questi rilevamenti, chiamato GW170817. Quel segnale, visto lo scorso agosto, è stato quasi certamente l’evento più intensamente studiato nella storia dell’astronomia. E ha risolto una serie di misteri di lunga data in un colpo solo, tra cui l’origine dell’oro e di altri elementi pesanti nell’Universo2, così come la causa di alcune burst di raggi γ3.,

Ulteriori osservazioni potrebbero consentire agli scienziati di esplorare gli interni di questi oggetti. Si pensa che le stelle di neutroni siano così dense come la materia può essere senza collassare in un buco nero, ma esattamente quanto è denso l’ipotesi di qualcuno. Nessun esperimento di laboratorio può studiare queste condizioni, e ci sono decine di proposte per ciò che accade lì. Alcune teorie prevedono che i quark — i componenti subatomici che compongono protoni e neutroni-dovrebbero liberarsi l’uno dall’altro e vagare, forse in stati superconduttori superfluidi., Altri ipotizzano che i quark più pesanti e “strani” formino e diventino parte di cugini esotici del neutrone.

Appuntare i raggi delle stelle di neutroni potrebbe consentire ai fisici di valutare le teorie, perché prevedono diverse “equazioni di stato” — formule che collegano pressione, temperatura e densità della materia. Tali equazioni determinano fino a che punto la materia può essere compressa, e quindi quanto ampia o stretta sarà una stella di neutroni per una data massa, e quanto massicce tali stelle possono ottenere.,

Il segnale lungo 100 secondi in agosto alla fine divenne troppo alto per LIGO e Virgo da rilevare, il che impediva agli osservatori di vedere gli ultimi momenti delle due stelle di neutroni, quando avrebbero dovuto deformarsi a vicenda in modi che avrebbero rivelato la loro dimensione e durezza, o resistenza alla compressione. Ancora, dice B. S., Sathyaprakash, un fisico teorico LIGO presso la Pennsylvania State University di University Park, da quell’evento, “possiamo escludere equazioni di stato che consentono dimensioni di stelle di neutroni superiori a 15 chilometri di raggio”-una cifra che è coerente con altre misurazioni e favorisce la materia “più morbida”.

I rilevamenti futuri — e i rivelatori-forniranno molti più dettagli. Sathyaprakash dice che il telescopio Einstein, un possibile osservatorio di prossima generazione sognato da un team in Europa, potrebbe prendere i fisici ben oltre un limite superiore., “Vogliamo essere in grado di fissare il raggio al livello di 100 metri”, dice — una precisione che sarebbe sorprendente, dato che questi oggetti sono a milioni di anni luce di distanza.

Le chiamate di sirena

Segnali simili a GW170817, che è stato osservato sia attraverso le onde gravitazionali che la luce, potrebbero avere implicazioni drammatiche per la cosmologia. Schutz calcolò nel 1985 che la frequenza, o altezza, delle onde provenienti da oggetti a spirale, insieme alla velocità con cui tale altezza aumenta, rivela informazioni sulla massa collettiva degli oggetti4., Ciò determina quanto forti dovrebbero essere le loro onde alla fonte. Misurando la forza delle onde che raggiungono la Terra — l’ampiezza del segnale effettivamente captato dagli interferometri — si può quindi stimare la distanza che le onde hanno percorso dalla sorgente. A parità di altre condizioni, una fonte che è due volte più lontano, per esempio, produrrà un segnale la metà forte., Questo tipo di segnale è stato soprannominato una sirena standard, in un cenno ad un metodo comune di misurare le distanze in cosmologia: le stelle chiamate candele standard hanno una luminosità ben nota, che consente ai ricercatori di calcolare la loro distanza dalla Terra.

Accoppiando la misurazione della distanza di GW170817 con una stima della velocità con cui le galassie in quella regione si stanno allontanando dalla Terra, Schutz e i suoi collaboratori hanno fatto una stima nuova e completamente indipendente della costante di Hubble — l’attuale tasso di espansione dell’Universo (vedi ‘Segnali cosmici’)., Il result5, parte di un raccolto di documenti rilasciati da LIGO, Vergine e alcuni altri 70 astronomia squadre su 16 ottobre, “inaugura una nuova era per entrambi la cosmologia e l’astrofisica”, dice Wendy Freedman, un astronomo presso l’Università di Chicago, nell’Illinois, che ha fatto molto precise misure della costante di Hubble, utilizzando il tempo-onorato, ma meno diretta, le tecniche.,

Come misura diretta e indipendente di questa costante, le sirene standard potrebbero aiutare a risolvere un disaccordo tra i cosmologi. Tecniche state-of-the-art, raffinato oltre quasi un secolo di lavoro che ha iniziato con Edwin Hubble se stesso, ora dare stime che differiscono di qualche per cento., Questa prima misura standard-sirena non risolve la tensione: il tasso di espansione predice cade da qualche parte nel mezzo della gamma e, poiché si basa su un solo evento di fusione, ha una grande barra di errore. Ma in futuro, i ricercatori si aspettano che le sirene standard inchiodino la costante di Hubble con un errore inferiore all ‘ 1%. Finora, le candele standard lo hanno fatto con precisioni del 2-3%.,

Le sirene standard potrebbero diventare strumenti ancora più potenti con interferometri spaziali come l’interferometro Laser Space Antenna (LISA), un trio di sonde che l’Agenzia Spaziale europea, che sta conducendo la missione, prevede di lanciare nel 2030. LISA è progettato per essere sensibile alle onde a bassa frequenza che gli osservatori terrestri non possono rilevare. Ciò gli darebbe accesso a sistemi più massicci, che irradiano onde gravitazionali più forti., In linea di principio, LISA potrebbe raccogliere sirene da tutto l’Universo e, con l’aiuto di telescopi convenzionali, misurare non solo l’attuale tasso di espansione cosmica, ma anche come tale tasso si è evoluto attraverso gli eoni. Così, LISA potrebbe aiutare ad affrontare il più grande puzzle della cosmologia: la natura dell’energia oscura, la componente cosmica non ancora identificata che sta guidando l’espansione dell’Universo ad accelerare.,

Mentre gli interferometri terrestri rilevano eventi brevi e lontani tra loro, LISA dovrebbe sentire una cacofonia di segnali non appena si accende, incluso un coro costante di nane bianche binarie strette-i resti onnipresenti di stelle di dimensioni solari — nella nostra galassia. ” È come se vivessimo in una foresta rumorosa e dovessimo individuare i suoni dei singoli uccelli”, afferma l’astrofisica Monica Colpi dell’Università di Milano–Bicocca, che fa parte di un comitato che fissa gli obiettivi scientifici della missione.,

Occasionalmente, LISA dovrebbe vedere fusioni di buchi neri come quelle che fa LIGO, ma su una scala molto più grande. Si pensa che la maggior parte delle galassie porti un buco nero supermassiccio centrale che pesa milioni, o addirittura miliardi, di masse solari. Su una scala di miliardi di anni, le galassie potrebbero fondersi più volte; alla fine, anche i loro buchi neri centrali potrebbero fondersi. Questi eventi non sono frequenti per le singole galassie, ma poiché ci sono trilioni di galassie nell’Universo osservabile, una fusione rilevabile dovrebbe verificarsi da qualche parte almeno un paio di volte all’anno., Gli scienziati stanno anche perseguendo un modo separato di rilevare le onde gravitazionali da coppie di questi behemoth nelle fasi precedenti delle loro orbite. Usando i radiotelescopi, monitorano le pulsar all’interno della Via Lattea e cercano piccole variazioni nei loro segnali, causate dal passaggio delle onde gravitazionali attraverso la galassia. Oggi, ci sono tre ‘array pulsar-timing’, in Australia, Europa e Nord America, e un quarto formando in Cina.,

Grazie alla sensibilità pianificata da LISA e ai forti segnali prodotti dalla spirale dei buchi neri supermassicci, l’osservatorio dovrebbe essere in grado di raccogliere onde gravitazionali da coppie di buchi neri supermassicci mesi prima che si fondano e vedere la fusione in modo abbastanza dettagliato da testare la relatività generale con alta precisione. Dopo anni di attività, LISA potrebbe accumulare abbastanza eventi lontani per i ricercatori per ricostruire la formazione gerarchica delle galassie — come quelle piccole combinate per formare quelle più grandi e più grandi — nella storia dell’Universo.,

Anche sul terreno, i fisici stanno iniziando alcune “grandi nuove imprese”, dice Weiss. Una squadra statunitense immagina un esploratore cosmico con braccia di rilevamento di 40 chilometri-10 volte più lunghe di quelle di LIGO-che sarebbero sensibili ai segnali provenienti da eventi molto più lontani, forse attraverso l’intero Universo osservabile.

Il concetto per il telescopio Einstein in Europa prevede un rivelatore con bracci di 10 chilometri disposti in un triangolo equilatero e collocati in gallerie a circa 100 metri di profondità., Le condizioni silenziose potrebbero contribuire ad ampliare la portata dell’osservatorio, a frequenze di un decimo di quelle rilevabili dalle macchine attuali. Ciò potrebbe consentire agli scienziati di trovare buchi neri oltre la gamma che si ritiene proibita dalla supernova a instabilità di coppia; a masse abbastanza alte, le stelle dovrebbero avere un diverso meccanismo di collasso ed essere in grado di formare buchi neri di 100 masse solari o più.

Se gli scienziati sono fortunati, le onde gravitazionali potrebbero persino consentire loro di accedere alla fisica del Big Bang stesso, in epoche che non sono osservabili con nessun altro mezzo., Nei primi istanti dell’Universo, due forze fondamentali — la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole — erano indistinguibili. Quando queste forze si separarono, avrebbero potuto produrre onde gravitazionali che, oggi, potrebbero presentarsi come un “sibilo casuale” rilevabile da LISA, dice Schutz. Questo ipotetico segnale è distinto da uno a lunghezza d’onda molto più lunga di prima, che potrebbe apparire nella più antica radiazione visibile dell’Universo: lo sfondo cosmico a microonde., Nel 2014, un team ha riferito6 di aver osservato questo effetto con il telescopio BICEP2 al Polo Sud, ma i ricercatori hanno successivamente riconosciuto problemi con tale interpretazione7.

Con la riapertura di LIGO e Virgo alla fine di quest’anno, la prossima grande scoperta sulla lista dei desideri di Weiss è il segnale di una stella collassante — qualcosa che gli astronomi potrebbero anche osservare come un tipo di supernova. Ma ha grandi speranze per cos’altro potrebbe essere all’orizzonte. ” Se non vediamo qualcosa a cui non avevamo pensato”, dice Weiss. “Sarei deluso.”