Gli astrofisici riportano solide prove di un ronzio di fondo di onde gravitazionali

Gli astrofisici hanno trovato la migliore prova di un "ronzio" a bassa frequenza di onde gravitazionali che si increspano attraverso il cosmo, sulla base di 15 anni di misurazioni ultra precise che controllano la tempistica degli impulsi radio provenienti da stelle lontane.
Le prove, recentemente pubblicate su Astrophysical Journal Letters, provengono da diversi team di ricercatori che lavorano negli Stati Uniti e in Canada, nonché in Europa, India, Australia e Cina.
I team hanno monitorato le emissioni radio di un totale di 115 stelle rotanti ultra dense conosciute come pulsar.
Quasi 70 di queste pulsar sono state osservate dal North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, noto come NANOGrav.
"Questa è una prova chiave per le onde gravitazionali a frequenze molto basse", ha detto oggi in un comunicato stampa Stephen Taylor della Vanderbilt University, che ha co-condotto la ricerca ed è l'attuale presidente della NANOGrav Collaboration.
"Dopo anni di lavoro, NANOGrav sta aprendo una finestra completamente nuova sull'universo delle onde gravitazionali".
La NANOGrav Collaboration ha più di 170 membri, tra cui ricercatori dell'Università di Washington a Bothell, dell'Oregon State University e dell'Università della British Columbia.
Jeff Hazboun, professore di fisica presso l'Oregon State che in precedenza ha lavorato come ricercatore post-dottorato presso UW-Bothell, ha affermato che lavorare su NANOGrav è stato "davvero meraviglioso".
"Direi sicuramente che i grandi problemi al giorno d'oggi richiedono davvero che molte persone ci lavorino e le collaborazioni sono un ottimo modo per fare le cose", ha detto a GeekWire.
"Sai, usavamo Zoom due anni prima della pandemia." Hazboun ha affermato che il suo ruolo principale è "assicurarsi che ciò che stiamo vedendo sia ciò che pensiamo di vedere e capire quanto sia sensibile la nostra gamma di pulsar come rilevatore di onde gravitazionali".
Un rivelatore di proporzioni galattiche Le pulsar emettono onde radio in un raggio rotante mentre le stelle ruotano, un po' come il riflettore rotante di un faro.
Le pulsar che ruotano più velocemente ruotano centinaia di volte al secondo, il che significa che possono fungere da orologi cosmici ultraprecisi.
A metà degli anni '90, gli scienziati hanno capito che la temporizzazione dei lampi radio delle pulsar poteva teoricamente essere utilizzata per rilevare le onde gravitazionali create da fenomeni potenti come le interazioni tra due buchi neri supermassicci.
Tali onde dovrebbero creare sottili increspature di distorsione nel tessuto dello spaziotempo, in accordo con la teoria della relatività generale di Albert Einstein.
Agli osservatori sulla Terra sembrerebbe che la tempistica degli impulsi radio sia leggermente alterata.
Esperimenti basati sulla Terra, come il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, o LIGO, hanno rilevato onde gravitazionali ad alta frequenza associate a buchi neri di piccole e medie dimensioni.
Ma i buchi neri supermassicci sono una questione diversa.
Sono milioni di volte più massicci dei buchi neri che LIGO ha preso di mira.
Sarebbe impossibile utilizzare un rilevatore terrestre per cercare le onde gravitazionali a bassa frequenza che si pensa emettano quei mostruosi buchi neri mentre interagiscono.
"Una cosa davvero importante da notare è che il nostro rilevatore non si trova esclusivamente sulla Terra, e nemmeno nel sistema solare", ha detto Taylor ai giornalisti durante una teleconferenza sui risultati.
"Stiamo usando una disciplina vecchia di decenni di temporizzazione delle pulsar in tutta la Via Lattea, e stiamo effettivamente costruendo da loro un'antenna per onde gravitazionali su scala galattica".
Non è un compito facile.
"Le pulsar sono in realtà sorgenti radio molto deboli, quindi abbiamo bisogno di migliaia di ore all'anno sui telescopi più grandi del mondo per eseguire questo esperimento", ha affermato Maura McLaughlin della West Virginia University, condirettore del NANOGrav Physics Frontiers Center.
Le osservazioni radio di NANOGrav sono state effettuate utilizzando il Green Bank Telescope nel West Virginia, il Very Large Array nel New Mexico e l'Osservatorio di Arecibo a Porto Rico (che è crollato alla fine del 2020).
Non usare la parola D Nel corso degli anni, NANOGrav e altre collaborazioni si sono gradualmente avvicinate a un rilevamento confermato di onde gravitazionali a bassa frequenza.
Ma McLaughlin ha detto che lei ei suoi colleghi non erano ancora pronti per usare la parola con la D.
"Non stiamo segnalando un 'rilevamento'", ha detto ai giornalisti.
"Stiamo molto attenti con il nostro linguaggio e chiamiamo questa 'prova' per le onde gravitazionali." La ragione della sua cautela ha a che fare con l'analisi statistica dei risultati finora.
Una misura chiave per la significatività dei risultati ha a che fare con la deviazione standard, nota anche come "sigma".
I fisici vorrebbero vedere una valutazione di 5 sigma per una scoperta ufficiale, come la scoperta del bosone di Higgs nel 2012.
Ma nessuno dei gruppi temporali delle pulsar ha ancora riportato risultati di 5 sigma.
Il team di ricerca cinese è il più vicino, con un livello di confidenza di 4,6 sigma, che si traduce in una probabilità di 2 su un milione che il rapporto sia solo un falso allarme.
"Tuttavia, si basa solo su tre anni di dati su un set di dati molto breve, quindi è abbastanza difficile valutarne realmente la validità o tirarne fuori qualsiasi astrofisica", ha affermato McLaughlin.
I ricercatori di NANOGrav si aspettano di superare l'ostacolo 5-sigma una volta che i risultati di tutti i gruppi di temporizzazione delle pulsar saranno combinati, probabilmente nel prossimo anno o due.
"Non vediamo l'ora di aumentare la sensibilità delle onde gravitazionali che questo tipo di combinazione di dati sarà in grado di permetterci", ha affermato Thankful Cromartie della Cornell University, presidente del gruppo di lavoro sulla temporizzazione delle pulsazioni di NANOGrav.
Cosa potrebbe causare il ronzio? Sulla base dell'analisi condotta finora, il team di NANOGrav afferma che il modo migliore per descrivere i modelli di onde gravitazionali sarebbe un ronzio di sottofondo, analogo alle voci che si sovrappongono in mezzo alla folla o al frastuono che si sente quando i musicisti di un'orchestra accordano i loro strumenti .
"Ora che abbiamo prove dell'esistenza di onde gravitazionali, il passo successivo è utilizzare le nostre osservazioni per studiare le fonti che producono questo ronzio", ha affermato Sarah Vigeland, astrofisica dell'Università del Wisconsin a Milwaukee.
“Una possibilità è che il segnale provenga da coppie di buchi neri supermassicci, con masse milioni o miliardi di volte la massa del nostro sole.
Mentre questi giganteschi buchi neri orbitano l'uno intorno all'altro, producono onde gravitazionali a bassa frequenza».
Ma non è l'unica possibilità.
Luke Zoltan Kelley della Northwestern University, presidente del gruppo di lavoro di astrofisica di NANOGrav, ha affermato che i risultati sono "coerenti anche con la nuova fisica: onde gravitazionali prodotte da processi cosmologici o inflazionistici nell'universo primordiale".
I teorici hanno già fornito spiegazioni alternative.
NANOGrav e gli altri gruppi di temporizzazione delle pulsar dovranno raccogliere più dati per determinare quale possibilità abbia più senso.
"La risposta è probabilmente molto più complicata, che è davvero una miscela di diversi processi, ed è improbabile che i binari dei buchi neri supermassicci non siano nel mix da qualche parte", ha detto Taylor.
"Stiamo cercando di porre un vincolo su tutti questi diversi parametri e tutti questi diversi processi allo stesso tempo." Qual è il prossimo? Hazboun ha affermato che le tecniche di temporizzazione delle pulsar e gli interferometri terrestri come LIGO stanno fornendo una varietà di modi per osservare le diverse estremità dello spettro delle onde gravitazionali.
"È come vedere qualcosa dal resto dell'universo alla radio, o nell'ultravioletto, o nell'infrarosso", ha spiegato.
“Sono necessari diversi rilevatori per vedere diverse parti dello spettro elettromagnetico.
Ed è la stessa cosa con le onde gravitazionali.
Nei decenni a venire, si prevede che ancora più tipi di rilevatori colmeranno le lacune nello spettro delle onde gravitazionali.
"Ci sono un paio di progetti cinesi [TianQin e Taiji] e un progetto europeo della NASA [LISA] per costruire rilevatori di onde gravitazionali basati nello spazio", ha detto Hazboun, "e quelli sono effettivamente sensibili nella regione della banda di frequenza tra temporizzazione della pulsar nella fascia veramente bassa e LIGO nella fascia alta.
Studi sull'Astrophysical Journal Lettere sul set di dati di 15 anni NANOGrav: Prove per uno sfondo di onde gravitazionali Osservazioni e temporizzazione di pulsar da 68 millisecondi Caratterizzazione del rivelatore e budget del rumore Ricerca di segnali dalla nuova fisica Altri studi incentrati sulle onde gravitazionali a bassa frequenza: ricerca per lo sfondo di onde gravitazionali stocastiche nano-Hertz con il Chinese Pulsar Timing Array Data Release I Ricerca di uno sfondo di onde gravitazionali isotropiche con Parkes Pulsar Timing Array Ipotesi nulla di sfondo di onde gravitazionali: caratterizzazione del rumore in millisecondi Tempi di arrivo delle pulsar con Parkes Pulsar Timing Array In coordinamento con altri gruppi di temporizzazione delle pulsar, i membri del team NANOGrav discuteranno i loro risultati durante una presentazione in live streaming giovedì alle 10:00 PT.