Gli scienziati hanno due modi per individuare le onde gravitazionali. Ecco altre idee.

Fino a poco tempo fa, le onde gravitazionali avrebbero potuto essere frutto dell’immaginazione di Einstein. Prima che venissero rilevate, queste increspature nello spaziotempo esistevano solo nella teoria generale della relatività dei fisici, per quanto ne sapevano gli scienziati.

Ora, i ricercatori hanno non uno ma due modi per rilevare le onde. E sono a caccia di altro. Lo studio delle onde gravitazionali è in forte espansione, afferma l'astrofisico Karan Jani della Vanderbilt University di Nashville. “Questo è semplicemente straordinario. Nessun campo della fisica fondamentale a cui riesco a pensare ha visto progressi così rapidi.

Proprio come la luce si presenta in uno spettro, o in una varietà di lunghezze d’onda, così fanno le onde gravitazionali. Diverse lunghezze d'onda indicano diversi tipi di origini cosmiche e richiedono diversi tipi di rilevatori.

Le onde gravitazionali con lunghezze d'onda di poche migliaia di chilometri - come quelle rilevate da LIGO negli Stati Uniti e dai suoi partner Virgo in Italia e KAGRA in Giappone - provengono principalmente dalla fusione di coppie di buchi neri circa 10 volte la massa del sole, o da collisioni di dense pepite cosmiche chiamate stelle di neutroni (SN: 2/11/16). Questi rilevatori potrebbero anche individuare le onde provenienti da alcuni tipi di supernova – stelle che esplodono – e da stelle di neutroni in rapida rotazione chiamate pulsar (SN: 5/6/19).

Al contrario, si pensa che immense increspature che si estendono per anni luce siano create da coppie orbitanti di enormi buchi neri con masse miliardi di volte quella del sole. A giugno, gli scienziati hanno riportato la prima prova evidente di questo tipo di onde trasformando l'intera galassia in un rilevatore, osservando come le onde modificavano i tempi dei lampeggi regolari delle pulsar sparse in tutta la Via Lattea (SN: 28/6/23).

Con l’equivalente sia di piccole increspature che di grandi tsunami in mano, i fisici ora sperano di immergersi in un vasto oceano cosmico di onde gravitazionali di ogni tipo di dimensione. Queste increspature potrebbero rivelare nuovi dettagli sulla vita segreta di oggetti esotici come i buchi neri e gli aspetti sconosciuti del cosmo.

"Ci sono ancora molte lacune nella nostra copertura dello spettro delle onde gravitazionali", afferma il fisico Jason Hogan della Stanford University. Ma ha senso coprire tutte le basi, dice. "Chissà cos'altro potremmo trovare?"

Questa ricerca per catturare l’intera gamma delle onde gravitazionali dell’universo potrebbe portare gli osservatori nello spazio profondo o sulla Luna, nel regno atomico e altrove.

Ecco un esempio di alcune delle frontiere che gli scienziati stanno osservando alla ricerca di nuovi tipi di onde.

L’antenna spaziale dell’interferometro laser, o LISA, a prima vista sembra poco plausibile. Un trio di veicoli spaziali, disposti in un triangolo con i lati di 2,5 milioni di chilometri, trasmetterebbero laser l'uno all'altro mentre ruotano in un'orbita attorno al sole. Ma la missione dell’Agenzia spaziale europea, prevista per la metà degli anni ’30, non è una semplice fantasia (SN: 20/06/17). È la migliore speranza di molti scienziati di entrare in nuovi regni delle onde gravitazionali.

"LISA è un esperimento strabiliante", afferma il fisico teorico Diego Blas Temiño dell'Universitat Autònoma de Barcelona e dell'Institut de Física d'Altes Energies.

Al passaggio di un’onda gravitazionale, LISA rileverebbe l’allungamento e la compressione dei lati del triangolo, in base al modo in cui i raggi laser interferiscono tra loro agli angoli del triangolo. Un esperimento di prova con un singolo veicolo spaziale, LISA Pathfinder, è stato effettuato nel 2015 e ha dimostrato la fattibilità della tecnica (SN: 6/7/16).

Generalmente, per catturare lunghezze d’onda maggiori delle onde gravitazionali, è necessario un rilevatore più grande. LISA consentirebbe agli scienziati di vedere lunghezze d'onda lunghe milioni di chilometri. Ciò significa che LISA potrebbe rilevare buchi neri orbitanti che sarebbero enormi, ma moderatamente grandi: milioni di volte la massa del sole anziché miliardi.

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Con il programma Artemis della NASA che mira a un ritorno sulla Luna, gli scienziati stanno cercando ispirazione nel vicino della Terra (SN: 16/11/22). Un esperimento proposto chiamato Laser Interferometer Lunar Antenna, o LILA, collocherebbe un rilevatore di onde gravitazionali sulla Luna.

Senza la spinta dell’attività umana e altri nervosismi terrestri, le onde gravitazionali dovrebbero essere più facili da individuare sulla Luna. "È quasi come una quiete spirituale", dice Jani. "Se vuoi ascoltare i suoni dell'universo, non c'è posto migliore nel sistema solare della nostra luna."

Come LISA, LILA avrebbe tre stazioni che irradiano laser in un triangolo, sebbene i lati di questo sarebbero lunghi circa 10 chilometri. Potrebbe catturare lunghezze d'onda lunghe decine o centinaia di migliaia di chilometri. Ciò colmerebbe un divario tra le lunghezze d’onda misurate dal LISA spaziale e dal LIGO terrestre.

Poiché gli oggetti orbitanti come i buchi neri accelerano man mano che si avvicinano alla fusione, nel tempo emettono onde gravitazionali con lunghezze d’onda sempre più corte. Ciò significa che LILA potrebbe osservare i buchi neri avvicinarsi l’uno all’altro durante le settimane prima della loro fusione, dando agli scienziati un avvertimento che una collisione sta per avvenire. Quindi, una volta che le lunghezze d’onda diventano sufficientemente corte, gli osservatori terrestri come LIGO raccoglierebbero il segnale, cogliendo il momento dell’impatto.

Una diversa opzione basata sulla Luna utilizzerebbe il raggio laser lunare, una tecnica con la quale gli scienziati misurano la distanza dalla Terra alla Luna con i laser, grazie a riflettori posizionati sulla superficie lunare durante i precedenti allunaggi.

Il metodo potrebbe rilevare le onde che spingono la Terra e la Luna, con lunghezze d’onda intermedie tra quelle viste dai metodi di temporizzazione delle pulsar e LISA, Blas Temiño e un collega hanno riportato in Physical Review D nel 2022. Ma quella tecnica richiederebbe riflettori migliorati sulla luna – un altro motivo per tornare indietro.

LISA, LIGO e altri osservatori laser misurano l’allungamento e la compressione delle onde gravitazionali monitorando il modo in cui i raggi laser interferiscono dopo aver attraversato i lunghi bracci dei loro rilevatori. Ma la tecnica proposta segue una strada diversa.

Invece di cercare lievi cambiamenti nella lunghezza dei bracci del rilevatore al passaggio delle onde gravitazionali, questa nuova tecnica tiene d’occhio la distanza tra due nubi di atomi. Le proprietà quantistiche degli atomi fanno sì che si comportino come onde che possono interferire con se stesse. Se passa un'onda gravitazionale, cambia la distanza tra le nuvole di atomi. Gli scienziati possono individuare quel cambiamento nella distanza basandosi su quell’interferenza quantistica.

La tecnica potrebbe rivelare onde gravitazionali con lunghezze d'onda comprese tra quelle rilevabili da LIGO e LISA, dice Hogan. Fa parte di un progetto per costruire un prototipo di rilevatore, chiamato MAGIS-100, al Fermilab di Batavia, Illinois.

Gli interferometri atomici non sono mai stati utilizzati per misurare le onde gravitazionali, sebbene possano percepire la gravità terrestre e testare le regole fisiche fondamentali (SN: 2/28/22; SN: 10/28/20). L’idea è “totalmente futuristica”, afferma Blas Temiño.

Un altro sforzo mira a individuare le onde gravitazionali fin dai primi istanti dell’universo. Tali onde sarebbero state prodotte durante l’inflazione, gli istanti successivi al Big Bang, quando l’universo aumentò di dimensioni. Queste onde avrebbero lunghezze d’onda più lunghe che mai viste prima: fino a 1021 chilometri, o 1 sestilione di chilometri.

Ma la caccia è iniziata con una falsa partenza nel 2014, quando gli scienziati con l’esperimento BICEP2 hanno proclamato il rilevamento di onde gravitazionali impresse in schemi vorticosi sulla luce più antica dell’universo, lo sfondo cosmico a microonde o CMB. La richiesta è stata successivamente annullata (SN: 30/01/15).

Un progetto chiamato CMB-Stage 4 continuerà la ricerca, con piani per diversi nuovi telescopi che esplorerebbero la luce più antica dell’universo alla ricerca di segni delle onde – questa volta, si spera, senza alcun passo falso.

Per la maggior parte dei tipi di onde gravitazionali su cui gli scienziati hanno messo gli occhi, sanno qualcosa su cosa aspettarsi. Oggetti conosciuti, come i buchi neri o le stelle di neutroni, possono creare quelle onde.

Ma per le onde gravitazionali con le lunghezze d’onda più corte, forse solo pochi centimetri, “la storia è diversa”, dice la fisica teorica Valerie Domcke del CERN vicino a Ginevra. “Non abbiamo alcuna fonte conosciuta… che possa effettivamente fornirci [queste] onde gravitazionali di un’ampiezza sufficientemente grande da poterle rilevare realisticamente”.

Tuttavia, i fisici vogliono verificare se le piccole onde sono presenti là fuori. Queste increspature potrebbero essere prodotte da eventi violenti all’inizio della storia dell’universo, come le transizioni di fase, in cui il cosmo si converte da uno stato all’altro, in modo simile all’acqua che condensa dal vapore allo stato liquido. Un’altra possibilità sono i minuscoli buchi neri primordiali, troppo piccoli per essere formati con mezzi standard, che potrebbero essere nati nell’universo primordiale. La fisica in questi regimi è così poco conosciuta che “anche cercare [le onde gravitazionali] e non trovarle ci direbbe qualcosa”, dice Domcke.

Queste onde gravitazionali sono così misteriose che anche le loro tecniche di rilevamento sono nell'aria. Ma le lunghezze d’onda sono abbastanza piccole da poter essere viste con esperimenti ad alta precisione su scala di laboratorio, piuttosto che con enormi rilevatori.

Gli scienziati potrebbero anche essere in grado di riutilizzare i dati di esperimenti progettati con altri obiettivi in mente. Quando le onde gravitazionali incontrano campi elettromagnetici, le increspature possono comportarsi in modi simili a ipotetiche particelle subatomiche chiamate assioni (SN: 17/3/22). Quindi gli esperimenti alla ricerca di quelle particelle potrebbero anche rivelare mini onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali sono disponibili in uno spettro di lunghezze d'onda più corte e più lunghe. Ciascun intervallo di lunghezze d'onda è generato da sorgenti diverse. Le pulsar e le stelle che esplodono, o supernove, generano alcune increspature di breve lunghezza d'onda. Altre onde sono prodotte da coppie di stelle di neutroni, o da coppie di buchi neri di massa stellare, con massa inferiore a 100 volte quella del sole. Lunghezze d'onda ancora più lunghe sono generate da coppie di buchi neri supermassicci.

Diverse lunghezze d'onda possono essere individuate utilizzando diversi tipi di rilevatori, inclusi rilevatori terrestri come LIGO, rilevatori spaziali come LISA e misurazioni di blip da stelle morte chiamate pulsar. Lunghezze d'onda particolarmente lunghe possono essere rilevate studiando la luce rilasciata poco dopo il Big Bang, il fondo cosmico a microonde. Altri tipi di rilevatori (non raffigurati) potrebbero colmare le lacune.

Catturare le onde gravitazionali è come remare contro la marea: è dura, ma ne vale la pena per le viste panoramiche. "Le onde gravitazionali sono davvero, davvero difficili da rilevare", afferma Hogan. Ci sono voluti decenni di lavoro prima che LIGO individuasse le prime onde, e lo stesso vale per la tecnica di temporizzazione delle pulsar. Ma gli astronomi iniziarono subito a raccogliere i frutti. "È una visione completamente nuova dell'universo", afferma Hogan.

Le onde gravitazionali hanno già contribuito a confermare la teoria generale della relatività di Einstein, a scoprire una nuova classe di buchi neri di masse di dimensioni moderate e a smascherare i fuochi d'artificio che si verificano quando due oggetti ultradensi chiamati stelle di neutroni si scontrano (SN: 2/11/16; SN: 9 /2/20; SN: 16/10/17).

Ed è ancora agli inizi per il rilevamento delle onde gravitazionali. Gli scienziati possono solo immaginare cosa riveleranno i futuri rilevatori. "C'è molto altro da scoprire", afferma Hogan. "Sarà sicuramente interessante."

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