Spazio

Trovate tracce di un fondo cosmico di onde gravitazionali? Forse è un'eco del Big Bang

Uno studio internazionale, di cui fa parte l'Italia, ha trovato tracce di onde gravitazionali generate forse da scontri tra buchi neri o addirittura dal Big Bang.

Ufficialmente non è ancora una scoperta, ma dovremmo esserci vicino: «Abbiamo la prima evidenza di un fondo di onde gravitazionali a bassissima frequenza», annuncia Alberto Sesana, docente di astrofisica all'Università di Milano Bicocca e coautore dello studio.

In pratica, è come un boato che arriva da molto lontano, generato forse dallo scontro tra buchi neri miliardi di volte più massicci del Sole o forse perfino dal Big Bang - ancora non lo sappiamo con certezza. Tra tanti dubbi, per Sesana una cosa è certa: «È una nuova finestra di osservazione sull'universo». Una tecnica di tipo astronomico per lo studio di onde gravitazionali che si affianca agli ormai noti rivelatori di onde gravitazionali Virgo, Ligo e (più recentemente) Kagra.

Lo studio, basato sui dati raccolti in oltre 25 anni, è stato pubblicato oggi su Astronomy and Astrophysics dagli scienziati dell'European Pulsar Timing Array (EPTA) – un gruppo di 11 istituzioni tra cui due italiane (Istituto Nazionale di Astrofisica e Università di Milano-Bicocca) – in collaborazione con l'Indian Pulsar Timing Array (InPTA).

I radiotelescopi europei coinvolti nello studio, e in particolare l'Effelsberg Radio Telescope in Germania, il Lovell Telescope dell'Osservatorio Jodrell Bank nel Regno Unito, il Nancay Radio Telescope in Francia, il Sardinia Radio Telescope in Italia e il Westerbork Radio Synthesis Telescope nei Paesi Bassi. Ha collaborato anche il Giant Metrewave Radio Telescope in India.

Guardare le stelle. Per rivelare le onde gravitazionali di bassissima frequenza, che si sviluppano su scale enormemente più grandi rispetto a quelle osservabili da strumenti come Virgo e Ligo, gli scienziati hanno usato una tecnica di natura astronomica nota come pulsar timing array (PTA), basata sull'osservazione astronomica di stelle dette pulsar. Questi corpi celesti sono oggetti molto compatti che ruotano a velocità elevatissime – fino a 700 volte al secondo – emettendo fasci di radiazioni che i radiotelescopi intercettano sotto forma di impulsi regolari.

«Le pulsar sono eccellenti orologi naturali e possiamo usare l'incredibile regolarità dei loro segnali per cercare minuscoli cambiamenti nel loro ticchettio causati da sottili dilatazioni e compressioni dello spazio-tempo provocati da onde gravitazionali provenienti dall'universo lontano», ha dichiarato Golam Shaifullah, ricercatore dell'Università di Milano Bicocca coinvolto nella ricerca. Gli scienziati, insomma, hanno usato una rete di 25 pulsar presenti nella Via Lattea, la nostra galassia, come se fossero boe che si spostano al passaggio di un'onda nel mare: misurandone gli spostamenti, hanno osservato il passaggio di onde che deformano la struttura dello spazio-tempo e che arrivano da molto più lontano: le onde gravitazionali.

Nell'infografica, l'interpretazione ritenuta più plausibile del segnale di fondo cosmico annunciato: 1) coppie di buchi neri giganti lontani generano onde gravitazionali; 2) queste onde viaggiano perturbando lo spazio-tempo; 3) alcune stelle dette pulsar si comportano come orologi cosmici che permettono di misurare il passaggio delle onde gravitazionali; 4) I radiotelescopi sulla Terra, osservando le pulsar, riescono a ricostruire l'intero processo.

Nell'infografica, l'interpretazione ritenuta più plausibile del segnale di fondo cosmico annunciato:

1) coppie di buchi neri giganti lontani generano onde gravitazionali;

2) queste onde viaggiano perturbando lo spazio-tempo;

3) alcune stelle dette pulsar si comportano come orologi cosmici che permettono di misurare il passaggio delle onde gravitazionali;

4) I radiotelescopi sulla Terra, osservando le pulsar, riescono a ricostruire l'intero processo.

© Danielle Futselaar / MPIfR

Indizi da confermare. Per sua natura, questa tecnica permette di rivelare lunghezze d'onda di scala astronomica e di frequenza bassissima, sulla scala del nanohertz (miliardesimo di hertz), tipica di eventi che si sviluppano in decine di anni.

Per questo gli scienziati parlano di "lento respiro dello spazio-tempo". «Questa tecnica», enfatizza Sesana, «ci permette di indagare fenomeni mai studiati prima». Infatti gli osservatori come Virgo e Ligo, estendendosi su una scala di "appena" 3-4 km, osservano solo frequenze comprese tra pochi hertz a diversi kilohertz (più o meno lo spettro udibile delle onde acustiche) e quindi studiano oggetti relativamente piccoli su scala galattica, come le stelle di neutroni e i buchi neri di massa stellare.

Sesana dice che i dati sono convincenti. Ammette però che è ancora presto per poter annunciare una "scoperta scientifica". Si parla infatti di scoperta quando la probabilità che il risultato osservato non sia dovuto a un errore di tipo statistico – per sua natura imponderabile – è superiore a un valore pari a "5 sigma". «Abbiamo 3 o 4 risultati che oscillano tra 3 e 4 sigma», chiarisce Sesana. «Il segnale è stato infatti osservato indipendentemente anche da altre collaborazioni: NANOGrav in Nord America, Parkes PTA in Australia e la Chinese PTA (CPTA) in Cina». Resta però una possibilità su 10 mila che si tratti di un errore: è lecito sperare, ma bisogna affinare le misure.

Il Sardinia Radio Telescope. © INAF - Paolo Soletta

Come un coro incoerente. Assumendo dunque che il risultato sia genuino, di che cosa si tratterebbe? «Il segnale che abbiamo misurato è compatibile con un background "stocastico", cioè una sovrapposizione incoerente di onde gravitazionali che provengono da ogni direzione», spiega Sesana. Non si tratterebbe perciò della voce di un singolo evento, come gli scontri tra buchi neri a cui ci hanno abituato Ligo e Virgo, ma della sovrapposizione delle voci di tanti eventi, potremmo definirlo un coro incoerente, che ci raggiungono da molto lontano.

«Non siamo ancora in grado di determinarne l'origine», spiega Sesana. «I primi sospetti cadono sui sistemi binari di buchi neri supermassicci, con una massa miliardi di volte maggiore di quella del Sole. Queste coppie di buchi neri enormi, mentre stanno spiraleggiando lentamente l'uno intorno all'altro, emettono onde gravitazionali a bassissima frequenza. Se si facesse una fotografia del cielo adesso, ce ne sarebbero tantissimi in giro per l'universo che emettono onde gravitazionali in tutte le direzioni; e la sovrapposizione di tutte queste onde costituirebbe il segnale che osserviamo».

Una storia da scrivere. Non si può però tralasciare un'ipotesi ancora più suggestiva. Ed è quella che in questo presunto coro muto sia nascosta l'eco più lontana del Big Bang.

Si pensa infatti che, nelle primissime fasi della sua vita, l'universo abbia avuto un'espansione iperaccelerata che ha scosso lo spazio-tempo come una pelle di tamburo. Una traccia di quel trambusto primordiale potrebbe essere ancora oggi rivelabile sotto forma di fondo stocastico, un po' come la radiazione cosmica di fondo (di natura elettromagnetica) che è stata osservata da Arno Penzias e Robert Wilson negli Anni '60 del '900, e poi via via in maniera sempre più precisa dai satelliti Cobe, WMap e Planck.

Insomma, se i dati saranno confermati e se la nostra comprensione migliorerà, il lento respiro dello spazio-tempo che possiamo leggere dalle pulsar ci svelerà segreti del cosmo sui quali attualmente possiamo solo fantasticare e quello che oggi appare come segnale confuso appena percepibile potrebbe diventare una mappa – lo speriamo tutti – che ci racconterà capitoli ancora sconosciuti della storia dell'universo.

29 giugno 2023 Andrea Parlangeli
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