Un recente "ronzio" di onde gravitazionali potrebbe provenire dai buchi neri più grandi dell'universo.

Sotto le esplosioni, le collisioni e altri rumori intermittenti nel cosmo, gli scienziati sospettano che si stia suonando una colonna sonora continua, creata dalle onde nello spazio-tempo che continuamente attraversano l'universo. Dopo più di un decennio di ricerca, gli scienziati potrebbero finalmente aver sentito quel rumore di fondo.

Diverse squadre di ricercatori provenienti da tutto il mondo hanno riportato il 28 giugno le prime prove chiare di queste onde gravitazionali. A differenza delle onde gravitazionali precedentemente rilevate, queste nuove onde hanno increspature di dimensioni stupefacenti, sulla scala degli anni luce. La loro probabile fonte: coppie innumerevoli di buchi neri giganteschi, che agitano il calderone dello spazio-tempo mentre orbitano l'uno intorno all'altro.

Se l'intuizione è corretta, il risultato fornirebbe la prima prova che coppie di mostri buchi neri, con masse miliardi di volte quella del sole, possono coalescere in uno solo.

Se le onde gravitazionali sono reali, e se sono veramente un segnale di coppie di buchi neri supermassicci, "è miracoloso", dice l'astrofisica Meg Urry dell'Università di Yale. "È estremamente interessante, perché abbiamo praticamente zero conoscenza di ciò che i buchi neri più massicci stanno facendo".

Le onde gravitazionali sono prodotte da oggetti massicci in accelerazione. Mentre queste onde si propagano attraverso l'universo, distorcono la trama dello spazio-tempo su cui la realtà è ricamata. Nel 2015, gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno rilevato per la prima volta le onde gravitazionali. Queste onde sono state generate da fusioni di buchi neri relativamente piccoli, creature completamente diverse dai supermassicci che si nascondono nei centri delle galassie.

Mentre LIGO rileva le brevi pulsazioni delle onde gravitazionali che durano solo frazioni di secondo, ci si aspetta che i buchi neri supermassicci in orbita emettano onde continuamente per milioni di anni, creando increspature che avvolgono il cosmo con il loro costante rumore. "È una cosa molto diversa, una cosa molto nuova", dice il ricercatore di LIGO Daniel Holz, astrofisico all'Università di Chicago. "È fantastico".

In tutto l'universo, le galassie si mescolano e si fondono regolarmente. Mentre lo fanno, gli scienziati sospettano che i loro buchi neri supermassicci orbitino l'uno attorno all'altro ed emettano onde gravitazionali. Molte coppie di buchi neri farebbero questa danza orbitale contemporaneamente, nelle numerose galassie in fusione sparse per il cosmo, inviando le loro onde nello spazio.

"La Terra si muove casualmente in questa distesa di onde gravitazionali", afferma l'astrofisica Maura McLaughlin dell'Università della Virginia Occidentale e membro del North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav).

Rilevare questa mescolanza di onde gravitazionali non è facile. Il compito ha richiesto agli scienziati di sfruttare la Via Lattea, trasformando la galassia in un rilevatore di onde gravitazionali cronometrando il ritmico ticchettio dei resti di stelle esplose chiamati pulsar, che emettono fasci di onde radio mentre ruotano. Questi fasci passano davanti alla Terra a intervalli regolari, come i precisi ticchettii di un orologio. Le onde gravitazionali che stirano e comprimono lo spazio tra le pulsar e la Terra fanno sì che i ticchettii delle pulsar, osservati con vari radiotelescopi in tutto il mondo, arrivino in anticipo o in ritardo.

Per assicurarsi di vedere le onde gravitazionali, anziché fluttuazioni insignificanti, i ricercatori hanno cercato un tipo speciale di correlazione tra diverse pulsar. Le pulsar vicine l'una all'altra nel cielo dovrebbero mostrare spostamenti temporali simili, ma quelle che sono ad angolo retto dovrebbero osservare spostamenti opposti: le pulsazioni di una pulsar arrivano in anticipo mentre quelle dell'altra arrivano in ritardo.

Questa caratteristica convincente è stata finalmente osservata, hanno riportato i ricercatori di NANOGrav il 28 giugno nell'Astrophysical Journal Letters. "Non c'è nulla nella natura che possa imitare questo", dice Chiara Mingarelli, astrofisica dell'Università di Yale e ricercatrice di NANOGrav. "Solo le onde gravitazionali possono farlo". Il loro risultato si basava su 15 anni di monitoraggio di dozzine di pulsar.

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"È davvero stimolante", afferma l'astrofisico Michael Keith dell'Università di Manchester in Inghilterra, membro dell'European Pulsar Timing Array (EPTA).

Il team dell'EPTA ha trascorso un periodo ancora più lungo a osservare le pulsar: un quarto di secolo. "Stavamo arrivando al punto in cui stavamo cominciando a pensare che forse il segnale è così debole che non lo troveremo mai", dice Keith. Ma la correlazione indicativa tra le pulsar era evidente anche nei risultati dell'EPTA, che sono stati riportati il 28 giugno in Astronomy and Astrophysics con ricercatori del Indian Pulsar Timing Array.

Some scientists have thought that supermassive black holes in merging galaxies would never draw close enough to coalesce with one another, or to emit gravitational waves like the ones observed. “It’s actually been a sore spot for our field for many years,” Mingarelli says.

In contrast, the gravitational wave signal seems to be stronger than expected (SN: 6/3/23). That suggests, “there are many black holes, they merge happily, and black holes also grow [to large masses] very happily,” says astrophysicist Marta Volonteri of Institut d’Astrophysique de Paris, who was not involved with the new research.

Future work could reveal more about supermassive black holes and their environs, says astronomer Ryan Shannon of Swinburne University of Technology in Melbourne, Australia.

“Understanding better the demographics of these supermassive black holes is going to help us understand how galaxies form and evolve,” says Shannon, a researcher on the Parkes Pulsar Timing Array in Australia, which also reported independent results in the Astrophysical Journal Letters and Publications of the Astronomical Society of Australia. A shorter-term effort, from the Chinese Pulsar Timing Array, reported its results in Research in Astronomy and Astrophysics.

The teams stopped just short of declaring an ironclad detection of the background of gravitational waves, rather presenting their results as strong evidence for the ripples. Taken individually, their results don’t quite meet the most stringent standards for statistical significance set by physicists. In future work, the teams plan to combine their data, in hopes of further solidifying the detection.

And although supermassive black holes are the simplest explanation for the waves’ origins, researchers still can’t rule out a more exotic provenance. For example, the ripples might have arisen from inflation, the period just after the Big Bang when the universe is thought to have expanded incredibly rapidly (SN: 7/13/12).

Whatever the source, the future study of these gravitational waves is bound to have ripple effects.