Sorgenti di onde gravitazionali e strumenti per rivelarle

Una delle tante conseguenze della relatività generale è che anche la gravità diventa messaggera di informazioni, capace di parlarci degli oggetti più misteriosi del cosmo e di portarci indietro nel tempo fino alle origini dell’universo. Le onde gravitazionali hanno inaugurato una nuova era nell’esplorazione del cosmo, come se ci avessero dotato di un nuovo senso per poterlo indagare.
Si tratta di increspature dello spaziotempo, perturbazioni che si propagano nel tessuto stesso dell’universo. Possono essere prodotte da grandi masse in moto accelerato nel corso di violenti fenomeni astrofisici, oppure avere un’origine cosmologica, generate nelle primissime fasi successive al Big Bang.

I segnali gravitazionali di origine astrofisica si distinguono in tre tipologie: “transienti”, “continui” e “stocastici”.
I transienti sono segnali che possono durare da pochi millisecondi a svariati minuti, e vengono generati dalla coalescenza di oggetti estremamente compatti come buchi neri e stelle di neutroni, o da esplosioni di supernovae.
I segnali continui possono invece durare mesi o persino anni. Essi vengono emessi in modo costante da sorgenti in rotazione, come le pulsar.
Il terzo tipo di segnale è il fondo stocastico di onde gravitazionali. Questo è il risultato della sovrapposizione globale di svariati segnali provenienti sia da sorgenti astrofisiche distanti, sia da processi fisici avvenuti nelle primissime fasi dell’evoluzione dell’universo.

Non tutte le sorgenti di onde gravitazionali teorizzate sono state finora confermate sperimentalmente. Il motivo risiede soprattutto nelle limitazioni tecnologiche legate alla capacità di schermarsi dai rumori (sismici, ambientali, antropici, termici, quantistici): ogni sorgente infatti emette onde gravitazionali a frequenze diverse, perciò è necessario costruire strumenti sempre più potenti e diversificati capaci di schermarsi alle giuste frequenze. Attualmente gli interferometri attivi sono capaci di rivelare onde gravitazionali prodotte da coalescenze di buchi neri e di stelle di neutroni, che vanno dai 10^-4 Hz ai 10³ Hz. Entro queste frequenze si trovano anche le supernovae e le pulsar, ma i loro segnali sono più deboli rispetto a quelli emessi dalle coalescenze di oggetti estremamente densi e compatti, quindi è necessario avere strumenti ancora più sensibili per rivelarle. Alle frequenze più basse (fino a 10^-16 Hz) invece abbiamo le coalescenze di buchi neri supermassicci e i fondi stocastici di onde gravitazionali.

Infografica a: Diversi sistemi fisici (in alto) possono emettere onde gravitazionali su diverse frequenze, per la cui rivelazione sono necessari diversi tipi di strumenti (in basso)

Al momento sono attivi quattro grandi interferometri terrestri: i due LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Italia (nella provincia di Pisa) e KAGRA in Giappone, quest’ultimo costruito sottoterra. In programma ci sono altri progetti ambiziosi per ampliare questa rete globale, come l’Einstein Telescope in Europa, anch’esso sotterraneo, e il futuro osservatorio LIGO India. Si tratta di interferometri di Michelson: la luce prodotta da un laser viaggia in bracci lunghi svariati chilometri fino a rimbalzare su degli specchi, che rinviano il fascio laser indietro. Quando i due fasci si ricombinano, è possibile misurare eventuali variazioni nella loro differenza di fase, provocate dal passaggio di un’onda gravitazionale. Quest’ultima, infatti, modifica impercettibilmente le distanze lungo le due direzioni, alterando il percorso della luce e producendo un segnale misurabile.

Rivelare un’onda gravitazionale, tuttavia, non significa sapere immediatamente da dove proviene. Un singolo interferometro può registrare il passaggio di un’onda, ma non è sufficiente a determinarne con precisione la direzione di provenienza nel cielo. Individuare il luogo d’origine di un segnale gravitazionale è essenziale per fare astronomia multimessaggera sfruttando le onde gravitazionali, e così studiare uno stesso fenomeno attraverso vari tipi di informazioni. Per ricostruire la posizione della sorgente è necessario confrontare le osservazioni di più strumenti, almeno tre, collocati in luoghi diversi della Terra. In questo modo è possibile circoscrivere una zona abbastanza ristretta del cielo in tempi rapidi, tali da permettere lo studio del fenomeno combinando diversi tipi di segnale, ove possibile, come nel caso della coalescenza di due stelle di neutroni osservata nel 2017.

Attualmente le onde gravitazionali hanno permesso di approfondire lo studio di molti fenomeni dell’universo, soprattutto la nostra conoscenza dei buchi neri. La sensibilità degli interferometri terrestri però è intrinsecamente limitata, alle basse frequenze, dal rumore dovuto alle vibrazioni sismiche del nostro pianeta, che possono simulare l’effetto di un’onda gravitazionale. Per superare questo limite e captare i segnali emessi da altre sorgenti come i buchi neri supermassicci, un potenziale fondo stocastico di onde gravitazionali, ma anche i segnali più deboli di pulsar e supernovae che si propagano sulle altre frequenze, la ricerca scientifica punta allo spazio con la missione LISA. LISA sarà un gigantesco interferometro nello spazio costituito da 3 satelliti artificiali disposti ai vertici di un triangolo equilatero, più sensibile degli interferometri terresti e capace di consentire la triangolazione attraverso un unico strumento.

Esistono però anche altri metodi per indagare queste frequenze bassissime. Mettendo insieme i dati di un gran numero di pulsar, gli astronomi hanno trasformato un settore della Via Lattea in un immenso rivelatore, chiamato pulsar timing array. Attraverso i radiotelescopi è possibile intercettare i regolarissimi impulsi radio emessi da queste stelle che, in presenza di un’onda gravitazionale, subiscono microscopiche alterazioni temporali a causa della deformazione dello spaziotempo. In questo modo è stato possibile rivelare il fondo stocastico di onde gravitazionali.
Infine, è possibile studiare indirettamente il fondo stocastico di onde gravitazionali anche attraverso i rivelatori della radiazione cosmica di fondo (CMB): analizzando la luce più antica dell’universo è possibile individuare tracce gravitazionali e studiare i processi fisici avvenuti nelle primissime fasi dell’universo, subito dopo il Big Bang. [Elena Gallo]