La nuova ondata di onde gravitazionali | spazio

unCirca 10 miliardi di trilioni di trilioni di millisecondi All’inizio della creazione nel Big Bang, si pensa che l’universo abbia sperimentato uno scatto di crescita breve ma assurdamente veloce. Questo evento, chiamato inflazione, è stato così catastrofico che il tessuto dello spazio e del tempo si è sintonizzato sulle onde gravitazionali (GW). In confronto, i GW che sono stati scoperti per la prima volta sei anni fa stavano facendo un grande tuffo che erano piccoli affari di buchi neri in collisione. Ma ora gli scienziati sono in Europa spazio L’ESA ha gli occhi puntati su obiettivi più grandi e spera di essere presto in grado di rilevare i deboli echi delle doglie inflazionistiche del parto dell’universo, circa 14 miliardi di anni dopo l’evento, utilizzando lo strumento più grande mai realizzato. Centinaia di volte più grande della Terra, il rivelatore di onde gravitazionali pianificato da Esa fluttuerà nello spazio e cercherà oscillazioni nello spazio-tempo causate da tutti i tipi di massicce convulsioni astrofisiche.

Il primo GW è stato identificato nel 2015 dal Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo), un progetto internazionale il cui successo ha vinto il Premio Nobel per la Fisica 2017 a tre dei suoi principali proponenti. Ligo è costituito da due enormi rivelatori negli stati americani di Washington e Louisiana. Ognuno di loro dispiega due tunnel di 2,5 miglia (4 chilometri), che si intersecano ad angolo retto, in cui il raggio laser viaggia lungo lo specchio all’estremità opposta e poi rimbalza indietro. Le onde luminose di ritorno interferiscono l’una con l’altra quando le braccia si intersecano. Quando GW passa, si restringe leggermente o allunga lo spaziotempo. Poiché questo effetto sarà diverso in ciascun braccio, cambia la sincronizzazione delle onde luminose e quindi cambia l’interferenza dei due raggi.

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LEGO non è solo. Una seconda scoperta GW il giorno di Natale 2015 è stata successivamente confermata in collaborazione con il rilevatore europeo Virgo, con sede in Italia. Un rilevatore in Giappone, chiamato Kagra, ha iniziato a funzionare all’inizio dello scorso anno e altri dispositivi sono previsti in India e Cina.

La maggior parte dei buchi neri visti finora sembrano essere causati dalla collisione di due buchi neri. Queste stelle sono costituite da stelle molte volte più massicce del nostro sole, che sono bruciate e collassate sotto l’influenza della sua stessa gravità. Secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein, che descrive la gravità come la distorsione dello spazio-tempo causata dalla massa, il collasso può continuare finché non rimane altro che una “singolarità” molto densa, che produce un campo gravitazionale così intenso che nemmeno la luce può fuga. da lui.

La collisione di due buchi neri – un evento rilevato per la prima volta in assoluto dal Laser Gravitational Wave Observatory, o Ligo – è mostrata in questo fermo immagine da una simulazione al computer. Foto: SXSproject

Se due buchi neri si scontrano a causa dell’attrazione gravitazionale reciproca, possono orbitare l’uno attorno all’altro e gradualmente assottigliarsi verso l’interno fino a quando non si uniscono. La relatività generale predisse più di un secolo fa che tali eventi avrebbero inviato onde GW attraverso l’universo, sebbene non vi fossero prove dirette per loro fino alla scoperta di LIGO. Possono essere causati anche da altri fenomeni astrofisici estremi, come le fusioni di stelle di neutroni: stelle ardenti meno massicce dei buchi neri che hanno arrestato il loro collasso nel punto in cui sono costituite da materia così densa che il ditale di una persona pesa fino a 50 m elefante.

GW può anche essere prodotto da oggetti molto più grandi. Al centro della nostra galassia, e di molte altre galassie, c’è un buco nero supermassiccio diversi milioni di volte la massa del nostro sole, formato dal collasso di stelle e nubi di gas e polvere cosmica. Gli oggetti che fluttuano in questi buchi neri supermassicci generano GW che oscillano a frequenze più basse e lunghezze d’onda più lunghe rispetto alle minuscole onde di fusione dei buchi neri viste da Ligo e Virgo.

I rilevatori a terra non possono individuare queste cose: sarebbe come cercare di catturare una balena in una ciotola di aragosta. Per vederli, il rivelatore di interferometria avrebbe bisogno di braccia molto più lunghe. Questo è complicato, poiché ogni braccio del canale dovrebbe essere lungo, dritto e privo di vibrazioni. Quindi i ricercatori hanno in programma invece di realizzare gyot a bassa frequenza nello spazio. Il più avanzato di questi piani è il dispositivo ora in costruzione per Esa: a: Interferometro laser per antenna spaziale (Lisa).

LISA invierà laser da una navicella spaziale per rimbalzare su uno specchio fluttuante liberamente all’interno di un’altra navicella spaziale. Usando tre veicoli spaziali, puoi creare una struttura a forma di L a doppio braccio come Ligo. Ma le braccia non devono essere ad angolo retto: Lisa posizionerà le sue tre navicelle spaziali a diversi milioni di miglia di distanza negli angoli del triangolo, con ogni angolo che diventerà uno dei tre rilevatori. L’intero gruppo seguirà l’orbita terrestre, trascinando il nostro pianeta di circa 30 metri.

Per testare la fattibilità della conduzione dell’interferometria laser nello spazio, nel 2015 Esa ha lanciato un progetto pilota denominato Lisa Pathfinder – La navicella spaziale ha dimostrato la tecnologia su piccola scala. la missione, Completato nel 2017, “ci ha spazzato via”, afferma Issa Paul McNamara, che era lo scienziato del progetto che gestiva la missione. “Ha soddisfatto le nostre esigenze il primo giorno, senza alcuna modifica o nulla.” Ha mostrato che uno specchio che galleggia all’interno di un’astronave può rimanere incredibilmente stazionario, oscillando di non più di un millesimo delle dimensioni di un singolo atomo. Per mantenerlo stabile, il veicolo spaziale utilizza piccoli propulsori per rispondere alla forza della luce proveniente dal sole.

In altre parole, McNamara afferma: “La nostra navicella spaziale era più stabile delle dimensioni del coronavirus”. Ed è anche perché LISA avrebbe bisogno di rilevare un cambiamento nella lunghezza del braccio che, a causa di GW, è un decimo della larghezza di un atomo oltre un milione di miglia.

Tuttavia, il rilascio di Lisa non avverrà prima di un decennio. “Abbiamo tre satelliti da costruire e ciascuno di essi ha molte parti”, afferma McNamara. “Ci vuole solo tempo – e questo è uno dei fatti sfortunati di un compito molto complesso”. La prossima pietra miliare è “l’adozione ufficiale della missione”, prevista nel 2024. “A questo punto, conosceremo i dettagli della missione e quali paesi membri dell’ESA e gli Stati Uniti contribuiscono con quanto, e quanto costa, ” dice l’astrofisico Emmanuel Berti della Jones University. Hopkins a Baltimora.

Anche il Giappone e la Cina sono nelle prime fasi della pianificazione dei rilevatori spaziali GW. McNamara vede questo non come una competizione, ma come una buona cosa, perché con più di un rivelatore sarebbe possibile utilizzare la triangolazione per determinare la fonte delle onde.

“Lisa cambierà l’astronomia GW più o meno allo stesso modo in cui trascende la luce visibile [to radio waves, X-rays etc] È stato un punto di svolta nell’astronomia ordinaria”, afferma Bertie. “Prenderà in considerazione diverse classi di sorgenti GW”. Studiando le fusioni di buchi neri supermassicci, dice, “speriamo di capire molto sulla formazione della struttura in l’universo e la gravità stessa.” Lisa aveva già visto GW “primitivi” dall’inflazione all’inizio del Big Bang, quindi questo potrebbe mettere alla prova le teorie su come tutto è iniziato.


TQuesto potrebbe essere un altro modo per vedere GW a bassa frequenza che non richiede affatto un rilevatore appositamente costruito. Una collaborazione chiamata North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NanoGrav) utilizza le osservazioni fatte da una rete globale di radiotelescopi per cercare l’effetto dei GW sui tempi di “orologi cosmici” chiamati pulsar.

Le pulsar orbitano rapidamente attorno alle stelle di neutroni che inviano intensi fasci di onde radio dai loro poli, spazzando il cielo come i raggi di un faro. I segnali Pulsar sono molto regolari e prevedibili. “Se un GW passa tra la pulsar e la Terra, distorce lo spaziotempo sovrapposto”, afferma Stephen Taylor, membro del team NanoGrav della Vanderbilt University nel Tennessee, facendo sì che l’impulso arrivi prima o dopo del previsto.

Telescopio Green Bank (GBT)
Il Green Bank Telescope (GBT) presso il National Radio Astronomy Observatory in Virginia, parte del progetto NanoGrav. Fotografia: John Arnold Images Ltd/Almy

In effetti, le pulsar diventano rivelatori. Come afferma il membro del team NanoGrav Julie Comerford dell’Università del Colorado a Boulder, questo dà ai bracci del “rilevatore” la distanza tra la Terra e le pulsar: forse migliaia di anni luce. A causa di questa vastità, i segnali che possono essere rilevati da NanoGrav hanno lunghezze d’onda molto lunghe e frequenze molto basse, anche oltre la portata di LISA e prodotte da buchi neri supermassicci miliardi di volte più grandi del Sole, che si fondono mentre intere galassie si scontrano . Taylor dice che nessun altro rilevatore può rilevarlo. Sebbene inimmaginabilmente disastrose, queste integrazioni sono in realtà abbastanza comuni e NanoGrav avrà il tipo di clamore che molti di loro hanno creato. “In tutto l’universo, ci sono coppie di buchi neri supermassicci che orbitano l’uno attorno all’altro e producono gigawatt”, afferma Commerford. “Queste increspature producono un mare di GW che stiamo ondeggiando”.

A gennaio, il team di NanoGrav è stato guidato dal ricercatore postdottorato di Comerford Joseph Simon in Colorado Segnala la prima possibile scoperta di questo sfondo GW. Sebbene sia necessario più lavoro per verificare che il segnale sia effettivamente causato da GW, Commerford definisce il risultato “il risultato astrofisico più entusiasmante che abbia visto negli ultimi anni”.

Se il NanoGrav, in effetti, utilizza un rilevatore GW delle dimensioni di anni luce, il fisico Sougato Bose dell’University College di Londra pensa che possiamo realizzarne uno abbastanza piccolo da stare all’interno di un armadio. La sua idea si basa su uno degli effetti più insoliti della teoria quantistica, che generalmente descrive oggetti molto piccoli come gli atomi. Gli oggetti quantistici possono essere collocati in quella che viene chiamata sovrapposizione, il che significa che le loro proprietà non sono determinate in modo univoco finché non vengono misurate: è possibile più di un risultato.

Gli scienziati quantistici possono mettere abitualmente gli atomi in una sovrapposizione quantistica, ma un comportamento così strano scompare per oggetti di grandi dimensioni come i palloni da calcio, che sono qui o là, che si guardi o meno. Per quanto ne sappiamo, non è che la sovrapposizione sia impossibile per qualcosa di così grande: è impossibile mantenerla abbastanza a lungo da essere rilevata, perché la sovrapposizione viene facilmente distrutta da qualsiasi interazione con l’ambiente circostante.

Sougato Bose, un fisico dell'University College di Londra, è a capo di un team di ricercatori che intendono raggiungere sperimentalmente la gravità quantistica.
Sougato Bose, un fisico dell’University College di Londra, è a capo di un team di ricercatori che intendono raggiungere sperimentalmente la gravità quantistica. Foto: per gentile concessione di Sougato Bose

Bose e colleghi suggeriscono che se potessimo creare una sovrapposizione quantistica di un oggetto di medie dimensioni tra un atomo e un pallone da calcio – un piccolo cristallo di circa cento nanometri di diametro, delle dimensioni di una grande particella virale – la sovrapposizione sarebbe così rischiosa che sarebbe sensibile a un GW transitorio. In effetti, i due potenziali stati di sovrapposizione quantistica possono essere fatti sovrapporre come due onde luminose e le distorsioni spazio-temporali indotte da GW apparirebbero come un cambiamento in questa interferenza.

Bose pensa che i nanocristalli di diamante che sono tenuti in un vuoto più che nello spazio e raffreddati all’interno di un filamento di zero assoluto possono essere mantenuti in sovrapposizione abbastanza a lungo da fare il trucco. Non sarà facile, ma dice che tutte le sfide tecniche sono già presentate individualmente: si tratta di metterle tutte insieme. “Non vedo alcun impedimento a farlo per i prossimi 10 anni circa, se ci sono fondi sufficienti”, dice.

Se questi e altri sviluppi porteranno a un boom dell’astronomia GW, cosa vedremo? “Quando apri una nuova finestra sull’universo, di solito vedi cose che non ti aspetteresti”, dice McNamara. Oltre a vedere più tipi di eventi che sappiamo già causare GW, potremmo ricevere segnali che non possiamo spiegare facilmente. “Ecco quando inizia il divertimento”, dice McNamara.

Elma Zito

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