Esplorare la possibilità di sondare le simmetrie fondamentali dello spaziotempo tramite la memoria delle onde gravitazionali

6 luglio 2024 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Come previsto dalla teoria della relatività generale, il passaggio delle onde gravitazionali può lasciare un cambiamento misurabile nelle posizioni relative degli oggetti. Questo fenomeno fisico, noto come memoria delle onde gravitazionali, potrebbe essere potenzialmente sfruttato per studiare sia le onde gravitazionali che lo spaziotempo.

Ricercatori del Gran Sasso Science Institute (GSSI) e dell'International School for Advanced Studies (SISSA) hanno recentemente condotto uno studio esplorando la possibilità di utilizzare la memoria delle onde gravitazionali per misurare le simmetrie dello spaziotempo, proprietà fondamentali dello spaziotempo che rimangono le stesse dopo specifiche trasformazioni. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters, suggerisce che queste simmetrie potrebbero essere sondate tramite l'osservazione dello spostamento e della memoria di spin.

'Per molto tempo, ero curioso del fenomeno della memoria delle onde gravitazionali e della connessione della fisica a bassa energia associata con la meccanica quantistica,' ha detto Boris Goncharov, coautore dell'articolo, a Phys.org. 'Ho sentito parlare per la prima volta del teorema del soft gravitone di Weinberg dal Prof. Paul Lasky alla Monash University in Australia, durante il mio dottorato di ricerca, quando discutevamo della memoria delle onde gravitazionali. Poi ho appreso del cosiddetto 'Triangolo Infrarosso' che collega il teorema del soft con la memoria delle onde gravitazionali e le simmetrie dello spaziotempo all'infinito dalle sorgenti delle onde gravitazionali.'

Il teorema del soft gravitone di Weinberg e il 'triangolo infrarosso' sono formulazioni matematiche che delineano lo stesso fenomeno fisico: la memoria delle onde gravitazionali. Come parte del loro recente studio, Goncharov e i suoi colleghi hanno deciso di esplorare la possibilità di sfruttare la memoria delle onde gravitazionali per sondare le simmetrie dello spaziotempo.

'Questo fenomeno svolge un ruolo in un tentativo in corso di descrivere una teoria della gravità di Einstein di cent'anni, inaffondabile e tuttavia incompatibile con il mondo microscopico—la relatività generale—come una teoria quantistica dei campi al limite asintotico dello spaziotempo,' ha detto Goncharov.

'Questo approccio a una unificazione nella fisica mi sembra sostanziale e promettente; lo trovo molto eccitante. Il nostro progetto specifico è emerso discutendo dei nuovi progressi in questo campo con la Prof.ssa Laura Donnay, coautrice della pubblicazione.'

Quando hanno esaminato la letteratura precedente in quest'area, i ricercatori hanno trovato che veniva discusso un numero crescente di simmetrie dello spaziotempo distante, ma non era chiaro quali di queste simmetrie e i corrispondenti termini di memoria esistessero in natura. Mentre diversi fisici avevano esplorato la possibilità di rilevare la memoria delle onde gravitazionali, Goncharov e i suoi colleghi non erano sicuri di quale fisica potesse essere vincolata utilizzando le loro misurazioni.

'L'idea che potessimo testare queste simmetrie dello spaziotempo era centrale nel nostro studio,' ha spiegato Goncharov. 'Un altro aspetto è che io e il Prof. Jan Harms siamo membri della collaborazione Einstein Telescope, per la quale era importante investigare le prospettive osservazionali della memoria delle onde gravitazionali. L'Einstein Telescope è il rilevatore di onde gravitazionali terrestre di nuova generazione previsto per gli anni '30.'

Finora, i ricercatori non avevano ancora introdotto un approccio convenzionale per misurare le simmetrie dello spaziotempo tramite l'osservazione degli effetti della memoria delle onde gravitazionali. Il recente articolo di Goncharov e dei suoi colleghi mirava a colmare questa apparente lacuna nella letteratura.

'C'era molto lavoro precedente importante che si concentrava su (a) prevedere quando e con quali strumenti saremo in grado di rilevare vari termini di memoria delle onde gravitazionali, (b) come calcolare gli effetti della memoria delle onde gravitazionali analiticamente o utilizzando la relatività numerica, e (c) come diversi modelli di simmetrie dello spaziotempo generano termini di memoria delle onde gravitazionali,' ha detto Goncharov. 'Tuttavia, una discussione delle simmetrie dello spaziotempo basata sugli effetti di memoria osservati sembrava mancare nella letteratura.'

Il recente lavoro di questi ricercatori potrebbe essere visto come una prova di principio. Nel loro articolo, introducono nuovi test osservazionali che potrebbero essere utilizzati per sondare le simmetrie dello spaziotempo, delineando anche le potenziali limitazioni del loro approccio suggerito, che potrebbero essere affrontate in futuro.

Complessivamente, il loro studio suggerisce che il numero di test della teoria della relatività generale potrebbe essere ampliato. Inoltre, fornisce alcuni calcoli utili che potrebbero essere eseguiti utilizzando dati raccolti da vari rilevatori di onde gravitazionali.

Goncharov and his colleagues hope that their paper will open further discussions about spacetime symmetries and gravitational wave memory among others within their research community. These discussions could potentially pave the way towards the unification of various physics theories.

'At the moment, with Sharon Tomson (a new Ph.D. student at my current institute, AEI in Hannover, Germany), and Dr. Rutger van Haasteren, I am starting a search for gravitational wave memory with Pulsar Timing Arrays (PTAs).'

PTAs are tools for astronomical observation that collect highly stable and regular signals originating from pulsars (i.e., rapidly spinning neutron stars), using radio telescopes on Earth. These neutron stars behave like highly precise clocks, as they are sensitive enough to pick up delays and advances of radio pulses resulting from the propagation of gravitational waves across the Milky Way.

'PTAs are galactic-scale detectors, which currently seem to be gradually picking up a joint hum of slowly inspiraling supermassive binary black holes in the nearby universe. The signal yields slow variations in pulse arrival times that are most prominent on timescales of several years to decades,' Goncharov added.

'One standing out merger of supermassive binary black holes in a nearby galaxy may cause a gravitational wave burst with memory, detectable by PTAs. Although such bursts are very rare, we hope to extract some useful information from the data by placing limits on their existence.'

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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