Nel 1916, lo scienziato tedesco Albert Einstein proposte per la prima volta l’esistenza di onde di gravità, chiamate poi onde gravitazionali. Secondo la sua teoria della Relatività Generale, esse si sarebbero generate durante eventi cosmici molto energetici, come conseguenza della modifica alla curvatura dello spaziotempo, che a sua volta è dovuta alla presenza di massa.

100 anni dopo, l’11 febbraio 2016, le collaborazioni LIGO e Virgo hanno annunciato la prima rilevazione e osservazione diretta delle onde gravitazionali, avvenuta nel settembre 2015. Due buchi neri si erano scontrati, increspando il tessuto dello spaziotempo. Quell’increspatura si è propagata fino a noi, ed è stata rilevata dai due strumenti.

Oggi, 29 giugno 2023, la collaborazione NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) ha annunciato il primo rilevamento diretto di un fondo stocastico di onde gravitazionali (Gravitational Wave Background, GWB). La scoperta è stata fatta utilizzando i dati osservativi di una serie di 68 stelle pulsar raccolti nel corso di 15 anni. L’origine esatta di questo segnale di fondo non è ancora certa, e richiederà ulteriori osservazioni.

Quattro studi separati sulla scoperta del fondo delle onde gravitazionali sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal Letters (e altri due accettati per pubblicazione futura):

• The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background
• The NANOGrav 15 yr Data Set: Observations and Timing of 68 Millisecond Pulsars
• The NANOGrav 15 yr Data Set: Detector Characterization and Noise Budget
• The NANOGrav 15 yr Data Set: Search for Signals from New Physics
• The NANOGrav 15-year Data Set: Constraints on Supermassive Black Hole Binaries from the Gravitational Wave Background
• The NANOGrav 15-year Data Set: Bayesian Limits on Gravitational Waves from Individual Supermassive Black Hole Binaries

Cos’è il fondo stocastico di onde gravitazionali?

Il fondo stocastico di onde gravitazionali è un insieme di segnali provenienti da diverse fonti cosmiche distribuite nell’Universo. A differenza delle onde gravitazionali generate da eventi singoli e distinti, come la fusione di buchi neri o le esplosioni di supernove, il fondo stocastico consiste in un “rumore” proveniente da molte fonti diverse.

Questo fondo stocastico, che rappresenta un vero e proprio mormorio di fondo dell’Universo, si manifesta come un segnale continuo. Infatti, le onde gravitazionali che lo costituiscono si sovrappongono e si combinano, creando una miscela di segnali le cui fonti potenziali includono, ad esempio, la somma delle onde generate da molte fusioni di buchi neri supermassicci in tutto l’Universo, o onde gravitazionali generate durante l’epoca primordiale poco dopo il Big Bang.

Finora, rilevarlo non era mai stato possibile. Le onde gravitazionali a bassa frequenza producono perturbazioni così piccole da essere irrilevabili da strumenti come LIGO e Virgo. E anche se lo fossero, esistono numerosi fattori esterni che contribuiscono al rumore di fondo nelle misurazioni, ed eliminarli è un compito complesso e che richiede tecnologie e tecniche di analisi dati altamente sofisticate. Inoltre, è necessario possedere una grossa mole di dati, raccolti su un lungo arco temporale.

Come è stato individuato?

Le prove del fondo stocastico annunciate da NANOGrav sono state trovate con il metodo del Pulsar Timing Array (PTA). Si tratta di una tecnica utilizzata per rilevare onde gravitazionali a bassa frequenza, basata sulle osservazioni di pulsar, stelle di neutroni altamente magnetizzate che emettono impulsi regolari di onde radio.

Questi impulsi, talmente precisi da essere paragonati a “orologi cosmici”, possono essere rilevati dai telescopi sulla Terra come segnali radio. Gli scienziati misurano il tempo di arrivo dei segnali in modo accurato e lo confrontano con un orologio di riferimento stabile.

Se un’onda gravitazionale attraversa la regione spaziale tra la Terra e una pulsar, la sua propagazione può influenzare il tempo di arrivo dei segnali dell pulsar sulla Terra. L’onda gravitazionale, infatti, provoca una leggera deformazione dello spazio-tempo, che si traduce in un ritardo o un anticipo nei tempi di arrivo dei segnali considerati.

Confrontando i tempi di arrivo dei segnali di diverse pulsar e studiando le correlazioni tra di essi, è possibile individuare la firma del passaggio di un’onda gravitazionale attraverso la rete di pulsar. Sono chiaramente necessarie tecniche sofisticate per analizzare i dati di temporizzazione delle pulsar e cercare segnali coerenti, che indichino la presenza di onde gravitazionali.

Questo implica la correzione per variabili indesiderate, come effetti atmosferici e rumore strumentale, per identificare con precisione le deviazioni causate dalle onde gravitazionali.

Il metodo del PTA è particolarmente sensibile alle onde gravitazionali a bassa frequenza, comprese quelle generate da eventi cosmici come la fusione di buchi neri supermassicci. Sfruttando le osservazioni di una rete di pulsar distribuite in tutto il cielo, i ricercatori cercano segnali coerenti e correlazioni nei dati di temporizzazione per rivelare la presenza di onde gravitazionali.

Quali potrebbero essere le sorgenti?

Anche se NANOGrav ha fornito la prima prova convincente dell’esistenza di un background stocastico di onde gravitazionali nella gamma di frequenze dei nanohertz, l’origine di questo background è ancora sconosciuta. In generale, le fonti potrebbero essere o astrofisiche, quindi collisioni di oggetti celesti molto massicci, o cosmologiche, quindi provenienti da meccanismi, effetti e fenomeni risalenti all’Universo primordiale e al periodo dell’inflazione cosmica.

Uno degli studi pubblicati considera diverse fonti cosmologiche e le confronta con il segnale astrofisico prodotto da una popolazione di buchi neri binari supermassicci, per tentare di confermare o smentire la possibilità che essi ne siano sorgente. I risultati non sono però sufficienti a dare un’indicazione precisa, e l’analisi non tiene in considerazione l’intera gamma di incertezze nei segnali cosmologici e astrofisici.

Saranno quindi importanti analisi future, volte a caratterizzare il cosiddetto “spettro di potenza” del segnale in modo più dettagliato e a concentrarsi sull’osservazione di anisotropie, variazioni nel segnale che potrebbero aiutare a distinguere l’origine astrofisica da quella cosmologica. Per comprendere meglio le interpretazioni del segnale, sarà anche necessario identificare modelli che riproducano esattamente i parametri osservati, e che tengano in considerazione le possibili variazioni derivanti dal prendere in esame anche la materia oscura.

Cosa implica questa scoperta?

Aver rilevato per la prima volta con successo il fondo stocastico di onde gravitazionali ha implicazioni significative in diverse aree. Innanzitutto, è un’ulteriore conferma della teoria della relatività generale di Einstein. Inoltre, il fondo stocastico contiene informazioni preziose sull’Universo primordiale.

Aver individuato questo segnale ci consente di indagare le condizioni iniziali dell’Universo, comprese le sue dimensioni, la sua densità e la natura delle interazioni fondamentali durante le prime fasi dell’evoluzione cosmica. Fasi in cui queste onde sono state (da qualche parte, e da qualche oggetto) generate.

Chiaramente, riuscire a risalire alle sorgenti di queste onde permetterà di ottenere informazioni sulle diverse sorgenti astrofisiche che contribuiscono a questo rumore di fondo. Ciò potrebbe aiutarci a comprendere meglio la formazione e l’evoluzione delle galassie, la fusione di buchi neri e stelle di neutroni, nonché i processi astrofisici ad alta energia che generano onde gravitazionali.

Ma stiamo anche parlando di una nuova fisica, di un nuovo modo per sondare l’intero Universo oltre che quello classico di raccoglierne la luce. E, forse, abbiamo anche trovato una nuova sorgente di informazioni su teorie fisiche al di là della relatività generale, come la gravità quantistica e la natura della materia oscura.