Provata l’esistenza delle onde gravitazionali ultra-lunghe grazie alle Pulsar, ecco gli studi

In questi giorni sono apparsi su diverse riviste scientifiche una serie di studi prodotti da diverse collaborazioni indipendenti di astronomi che, sfruttando i dati provenienti da decine di pulsar nella Via Lattea, riescono a fornire prove convincenti circa l'esistenza delle onde gravitazionali ultra-lunghe. Vediamo insieme i dettagli di questi lavori, cosa sono le pulsar e le onde gravitazionali ultra-lunghe.

Cosa sono le pulsar usate per provare l'esistenza delle onde gravitazionali?

Il termine pulsar (pulsating radio source) sta ad indicare una classe di stelle di neutroni caratterizzate da campi magnetici di forte intensità e da una rapida rotazione. Le stelle di neutroni sono ciò che resta di una stella avente massa iniziale tra le 10 e le 25 masse solari dopo che essa ha esaurito tutto il suo carburante per le reazioni di fusione nucleare ed è di conseguenza collassata sotto la sua stessa gravità esplodendo in supernova. Le forze gravitazionali in gioco sono così intense che ciò che resta dell'esplosione è un nucleo compatto di neutroni. Questi oggetti hanno masse tra le 1,4 e le 3 masse solari concentrate in un oggetto di circa 20 chilometri di diametro; la densità è quindi tale che un cucchiaino di stella di neutroni pesa quanto il monte Everest!

La peculiarità delle pulsar è che la stella di neutroni rimanente dall'esplosione di supernova è caratterizzata da un forte campo magnetico e da una rapida rotazione. La combinazione delle due cose genera dei campi elettro-magnetici che accelerano gli elettroni e i protoni presenti sulla superficie della stella di neutroni. Quando una carica elettrica viene accelerata, essa emette radiazione elettromagnetica, in questo caso sotto forma di onde radio. Gli elettroni e i protoni vengono accelerati lungo le linee del campo magnetico della pulsar, che come sulla Terra, si propagano da un polo all'altro. Ciò implica che l'emissione di onde elettromagnetiche radio avviene principalmente lungo i poli della pulsar. Le pulsar che noi vediamo come tali in cielo sono quindi solo quelle in cui i poli puntano nella nostra direzione, proprio come se fossero un faro in mezzo al mare.

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La rapida rotazione di questi oggetti fa si quindi che il segnale radio emesso dai poli venga visto dalla Terra ad intervalli regolari che vanno dai milli secondi ai secondi, a seconda della velocità di rotazione della pulsar. Il passaggio di onde gravitazionali, increspando lo spazio-tempo, genera una oscillazione nella precisa periodicità di questi segnali, dell'ordine del milionesimo di secondo, ma sufficiente ad essere rilevato con i moderni e sofisticati metodi di analisi dati. La combinazione di diverse pulsar fa si che si crei così un rilevatore di onde gravitazionali che sia grande migliaia di anni luce, quanto la distanza fra la Terra e le varie pulsar utilizzate nello studio.

I dettagli dello studio sulle pulsar

Più che di un singolo studio, parliamo di una serie di pubblicazioni di diversi gruppi di ricerca indipendenti che si sono coordinati per rilasciare i risultati definitivi nello stesso giorno su vari giornali scientifici. I vari gruppi di ricerca fanno parte di un sistema di esperimenti internazionali noto come Pulsar Timing Array (Pta), che comprende tra gli altri lo European Pulsar Timing Array (Epta), l'Indian Pulsar timing array (InPta) e il consorzio North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav).
Gli scienziati hanno utilizzato gli impulsi radio regolari provenienti da 25 pulsar nella Via Lattea situate a diverse migliaia di anni luce da noi per dare la caccia ad un nuovo tipo di onde gravitazionali, chiamate ultra-lunghe, poiché dotate di lunghezze d'onda maggiori di quelle più note osservate con gli osservatori Ligo e Virgo.

La collaborazione europea Epta vanta una forte componente italiana costituita sia da astronomi e fisici teorici che lavorano nell'analisi e nell'interpretazione dei dati, sia da radio-telescopi utilizzati per catturare i segnali radio provenienti dalle pulsar, come il Sardinia Radio Telescope.

L'importanza della scoperta sulle onde gravitazionali

Tutta l'astronomia e le conoscenze che abbiamo del nostro Universo sono state ottenute fino ad oggi utilizzando solamente la radiazione elettromagnetica proveniente dai corpi celesti (occasionalmente anche con la rilevazione di neutrini, particelle ultra leggere). Le onde gravitazionali, increspature dello spazio-tempo generate dall'accelerazione di corpi dotati di massa, sono invece un mezzo completamente nuovo con cui possiamo indagare il cosmo e studiare fenomeni fisici che non sarebbero visibili con la radiazione elettromagnetica, come ad esempio la fusione di buchi neri o stelle di neutroni e i primi istanti di vita dell'Universo nascosti dietro la radiazione cosmica di fondo.

I rilevatori di onde gravitazionali Ligo e Virgo riescono a rilevare onde gravitazionali con lunghezze d'onda compatibili con quelle emesse dalla fusione di buchi neri aventi massa stellare o dalla fusione di stelle di neutroni. La fusione invece di buchi neri supermassicci, cioè aventi massa pari a milioni o miliardi di volte quella solare, produce, secondo la teoria Generale della Relatività, delle onde gravitazionali la cui lunghezza d'onda è troppo grande per poter essere catturata da Ligo e Virgo.

Il progetto Pta sfrutta la rilevazione delle piccole variazioni (meno di un milionesimo di secondo e correlate fra loro) dei segnali radio regolari provenienti dalle pulsar per scovare queste onde gravitazionali ultra-lunghe, poiché le piccole increspature dello spazio-tempo che esse generano inducono anche delle fluttuazioni nei tempi di arrivo dei segnali radio, che non sono più regolari. La rilevazione di questo tipo di onde apre una finestra di studio completamente nuova su, ad esempio, i processi di fusione dei buchi neri supermassicci e mostra inoltre come i futuri telescopi per le onde gravitazionali in costruzione saranno in grado di rilevare anche le onde gravitazionali primordiali, cioè provenienti dai primi istanti di vita dell'Universo.