L’Universo nelle Onde Gravitazionali

Per secoli l’uomo ha osservato l’Universo ad occhio nudo e, in tempi recenti, con telescopi sempre più grandi. Oggi studiamo l’Universo prevalentemente osservando la luce visibile e altre forme di radiazione elettromagnetica, come le onde radio, i raggi X e i raggi gamma. Più di recente abbiamo imparato ad utilizzare altri “messaggeri” cosmici, come particelle di alta energia: raggi cosmici, appunto, e neutrini. Con Advanced Virgo cerchiamo di captare un altro messaggero astrofisico: le onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali sono ondulazioni della trama dello spazio-tempo che si pensa siano emesse da stelle ruotanti in sistemi binari, da sistemi di buchi neri, esplosioni di stelle massicce e, addirittura, si ritiene che siano state emesse durante il Big Bang. Probabilmente ci sono sorgenti astrofisiche, oggi ancora sconosciute che allungheranno questa lista; la Relatività Generale afferma che ogni moto di masse, che non abbia simmetria sferica o cilindrica, è una potenziale sorgente di onde Gravitazionali.

Advanced Virgo avrà la capacità di rivelare onde gravitazionali con frequenze comprese fra 10 Hz e 10 kHz. Queste sono, casualmente, le stesse frequenze udibili dall’orecchio umano. Pertanto ogni segnale captato da Advanced Virgo potrà essere inviato ad un altoparlante per ascoltare la “sinfonia dell’Universo”.

Quali sono le principali sorgenti di onde gravitazionali presenti nello spazio? Le potete trovare qui sotto ed anche ascoltarne il “suono gravitazionale”, ovviamente simulato!

Coalescenze di stelle di neutroni e buchi neri

Quando due oggetti massicci e compatti, come stelle di neutroni o buchi neri orbitano uno attorno all’altro, essi si avvicinano lentamente fino a fondersi assieme, formando un unico buco nero. Questo fenomeno è detto coalescenza. I due corpi si avvicinano perchè un tale sistema perde energia emettendo onde gravitazionali di frequenza ed ampiezza sempre crescenti, durante tutta la sua esistenza. La prima evidenza sperimentale di questo fenomeno si è avuta dallo studio della stella binaria di neutroni PSR 1913+16. Russel Hulse e Joseph Taylor hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1993 per aver osservato che il sistema binario perde energia esattamente come previsto per l’emissione di onde gravitazionali. Successivamente sono stati scoperti diversi sistemi binari simili, che si comportano nello stesso modo.

Artist’s impression of the merging phase of a binary neutron star system emitting gravitational waves

Rappresentazione artistica della coalescenza di una stella binaria di neutroni per emissione di onde gravitazionali (Credits: NASA/CXC/GSFC/T.Strohmayer).

Durante la fase finale della coalescenza, le onde gravitazionali sono sufficientemente intense ed hanno una frequenza appropriata per essere captate da Advanced Virgo; esse orbitano a 10, 100, 1000 giri al secondo. Simili collisioni sono molto rare in una galassia, ma Adanced Virgo le cerchera’ in milioni di galassie. Questo dovrebbe permetterci di scoprirne una manciata ogni anno. Lo studio di questi sistemi binari dovrebbe consentirci di comprendere come interagiscono oggetti astrofisici compatti e se questi violenti fenomeni sono connessi agli sciami di raggi gamma rivelati dai satelliti da diversi decenni.

Simulated time series of the amplitude of a gravitational wave generated by the coalescence of two neutron stars located 20 Mpc away from Earth

Simulazione dell’evoluzione temporale dell’ampiezza delle onde gravitazionali generate dalla coalescenza di due stelle di neutroni a 70 milioni di anni-luce dalla terra. L’ampiezza dell’onda è sufficiente ad essere vista da Virgo soltanto negli ultimi 30 s prima della fusione finale.

Ascoltate il “chirp”: l’onda gravitazionale trasformata in suono da un altoparlante!

Stelle di Neutroni Rotanti

Una stella di neutroni è una stella fortemente magnetizzata e rapidamente rotante, costituita dal nucleo residuo di una stella pesante implosa attraverso il fenomeno di supernova. Le stelle di neutroni sono oggetti estremi: hanno una massa simile a quella del sole, ma concentrata in una sfera di 10 km di raggio. Esse possono ruotare anche 1000 volte al secondo! Se la stella non è perfettamente sferica, anche una piccola protuberanza sulla sua superficie genererà onde gravitazionali continue.

Pulsar PSR B1509-58 observed by Chandra in X-rays.

La Pulsar PSR B1509-58 osservata dal telescopio Chandra per raggi X della Nasa. Advanced Virgo cerchera’ le onde gravitazionali emesse da pulsar note (Credits: NASA/CSC/SAO/P.Slane et al.)

Le pulsar sono casi particolari di stelle di neutroni magneticamente asimmetriche, da cui riceviamo lampi periodici di luce, ad ogni giro della stella su sè stessa. Fino ad oggi Virgo non ha rivelato alcun segnale proveniente da pulsar note; questo ci ha permesso di concludere che la loro differenza da perfette sfere non è maggiore di un millimetro! L’osservazione di stelle di neutroni ci darà importanti informazioni sulla loro struttura interna. Advanced Virgo cercherà segnali di stelle di neutroni nelle vicinanze del Sole ed in tutta la Via Lattea, la nostra Galassia.

Simulated time series of the amplitude of a gravitational wave emitted by a rotating neutron star

Evoluzione temporale simulata dell’ampiezza dell’onda gravitazionale prodotta da una stella di neutroni rotante. Il segnale, di cui mostriamo solo 30 secondi, è continuo per molti anni.

“Burst” e supernovae

Un “burst” è un breve fiotto di radiazione, gravitazionale nel nostro caso, della durata da pochi millesimi di secondo a pochi secondi.

NASA\'s Chandra X-ray Observatory and ground-based optical telescopes have located the supernova SN 2006gy in 2006

Rappresentazione artistica di una supernova (in alto), confrontata con osservazioni raccolte in luce visibile (a sinistra) e nei raggi X (a destra)  (Credits: NASA/CXC/M.Weiss)

Advanced Virgo osserverà il cuore del collasso gravitazionale di una stella pesante, alla fine della sua esistenza, fenomeno detto “supernova”. In una galassia come la Via Lattea avvengono solo alcune supernovae per secolo. La loro osservazione ci permetterà di comprendere meglio cosa avviene dietro la materia espulsa durante l’esplosione e come si formano i buchi neri. Si valuta che Advanced Virgo, osservando migliaia di galassie, potrà studiare numerose supernovae ogni anno.

Simulated time series of the gravitational wave amplitude generated by a core collapse supernova located at 30000 light-years from Earth

Evoluzione temporale simulata dell’ampiezza dell’onda gravitazionale prodotta nel nucleo di una supernova a 30000 anni-luce dalla terra.

Fondo Stocastico

La maggior parte dei modelli cosmologici afferma che siamo immersi in un fondo casuale (stocastico) di onde gravitazionali generate nei primi istanti dopo il Big Bang. La rivelazione di questo fondo sarebbe una ineguagliabile sonda verso l’Universo primigenio e ci darebbe informazioni sulla sua evoluzione.

Inoltre deve esistere un ulteriore fondo astrofisico di onde gravitazionali, costituito dalla sovrapposizione della radiazione emessa da tutte le sorgenti in tutto l’Universo fino dal suo inizio. La rivelazione di questo fondo ci aiuterebbe a chiarire la storia della formazione e dell’evoluzione delle sorgenti astrofisiche.

L’imprevedibile

Ogni volta che l’uomo ha osservato il cielo con un nuovo strumento, utilizzando luci di nuova lunghezza d’onda o altri messaggeri, ha scoperto oggetti e fenomeni inattesi. Dunque anche dalle onde gravitazionali attendiamo sorprese! Le stringhe cosmiche, per esempio, potrebbero essere un’esotica sorgente di onde gravitazionali.

Gioca con l’Universo Gravitazionale!

Gioca e ascolta le onde gravitazionali: “Black Hole Hunter”: il gioco della caccia alle onde gravitazionali.

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