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Onde gravitazionali a frequenza più bassa mai rilevate nei dati dei pulsar

Un gruppo di fisici ha sviluppato un metodo per rilevare onde gravitazionali con frequenze così basse che potrebbero svelare i segreti delle prime fasi delle fusioni tra buchi neri supermassicci, gli oggetti più pesanti dell’universo.

Il metodo può rilevare onde gravitazionali che oscillano solo una volta ogni mille anni, 100 volte più lente di qualsiasi onda gravitazionale misurata in precedenza.

“Queste sono onde che ci raggiungono dai confini più lontani dell’universo, capaci di influenzare il modo in cui la luce viaggia”, ha affermato Jeff Dror, Ph.D., professore assistente di fisica presso l’Università della Florida e coautore del nuovo studio. “Studiare queste onde dall’universo primordiale ci aiuterà a costruire un quadro completo della nostra storia cosmica, analogamente alle precedenti scoperte del fondo cosmico a microonde.”

Dror e il suo coautore, il ricercatore post-dottorato dell’Università della California, Santa Cruz, William DeRocco, hanno pubblicato i loro risultati il 26 febbraio sulla rivista Physical Review Letters.

 

Approfondimenti sulla storia cosmica

Le onde gravitazionali sono simili a increspature nello spazio. Come le onde sonore o le onde sull’oceano, le onde gravitazionali variano sia in frequenza che in ampiezza, informazioni che offrono intuizioni sulla loro origine e età. Le onde gravitazionali che ci raggiungono possono oscillare a frequenze estremamente basse, molto più basse di quelle delle onde sonore rilevabili con l’orecchio umano. Alcune delle frequenze più basse rilevate in passato erano basse fino a un nanohertz.

“Per riferimento”, ha spiegato Dror, “la frequenza delle onde sonore create dal ruggito di un alligatore è circa 100 miliardi di volte superiore a questa frequenza – queste sono onde molto basse.”

Il loro nuovo metodo di rilevamento si basa sull’analisi dei pulsar, stelle di neutroni che emettono onde radio a intervalli altamente regolari. Dror ha ipotizzato che la ricerca di un rallentamento graduale nell’arrivo di questi impulsi potrebbe rivelare nuove onde gravitazionali. Studiando i dati esistenti dei pulsar, Dror è stato in grado di cercare onde gravitazionali con frequenze più basse che mai, aumentando la nostra “gamma di ascolto” a frequenze basse fino a 10 picohertz, 100 volte più basse rispetto agli sforzi precedenti che rilevavano onde a livello di nanohertz.

 

Prospettive future e simulazioni

Sebbene le onde gravitazionali con frequenze intorno a un nanohertz siano state rilevate in precedenza, non si sa molto sulla loro origine. Ci sono due teorie. L’idea principale è che queste onde siano il risultato di una fusione tra due buchi neri supermassicci, che, se vero, darebbe ai ricercatori un nuovo modo per studiare il comportamento di questi giganteschi oggetti che si trovano al centro di ogni galassia.

L’altra teoria principale è che queste onde siano state create da qualche tipo di evento catastrofico all’inizio della storia dell’universo. Studiando onde gravitazionali a frequenze ancora più basse, potrebbero essere in grado di differenziare queste possibilità.

“Guardando avanti, il prossimo passo è analizzare set di dati più recenti”, ha detto Dror. “I set di dati che abbiamo utilizzato erano principalmente del 2014 e del 2015, e un enorme numero di osservazioni di pulsar sono state intraprese da quel momento.”

Dror prevede anche di eseguire simulazioni su dati fittizi utilizzando il supercomputer HiPerGator dell’UF per ulteriori approfondimenti sulla storia cosmica. Il supercomputer può eseguire in modo efficiente simulazioni grandi e complesse, riducendo significativamente il tempo necessario per analizzare i dati.

Riferimento: “Using Pulsar Parameter Drifts to Detect Subnanohertz Gravitational Waves” di William DeRocco e Jeff A. Dror, 8 marzo 2024, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.101403

Questo studio è stato supportato in parte dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell’Energia.

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