La ricerca delle onde gravitazionali da parte di NANOGrav

Le Onde Gravitazionali sono increspature nello spazio e nel tempo causate da alcuni degli eventi più potenti dell'universo, come la collisione di buchi neri. Queste onde viaggiano alla velocità della luce e possono allungare e comprimere lo spazio mentre passano. Gli scienziati sono super interessati a studiarle perché possono rivelare informazioni sull'universo che altri metodi non possono.

#La Collaborazione NANOGrav

L'Osservatorio Nanohertz Nord Americano per le Onde Gravitazionali (NANOGrav) è un progetto a lungo termine che si concentra sulla rilevazione di onde gravitazionali a bassa frequenza utilizzando una rete di Pulsar millisecondo. Queste sono stelle altamente stabili che ruotano rapidamente e emettono fasci di onde radio. Monitorando queste pulsar, i ricercatori possono rilevare le minuscole variazioni nei loro tempi, che potrebbero indicare la presenza di onde gravitazionali.

Negli ultimi 15 anni, NANOGrav ha raccolto un sacco di dati. Gli scienziati hanno analizzato questi dati alla ricerca di segni di onde gravitazionali provenienti da sistemi binari di buchi neri supermassicci, che sono coppie di buchi neri che orbitano l'uno attorno all'altro.

#Il Dataset di 15 Anni

Il dataset di 15 anni di NANOGrav include osservazioni di 68 pulsar. I dati raccolti vanno da luglio 2004 ad agosto 2020. Anche se il periodo di osservazione supera i 15 anni, lo chiamano "dataset di 15 anni" perché nessuna singola pulsar ha osservazioni che superano i 16 anni.

#Ricerca di Sistemi Binari di Buchi Neri Individuali

I ricercatori sono interessati a trovare sistemi binari di buchi neri individuali che potrebbero emettere onde gravitazionali rilevabili. Per fare ciò, hanno usato tecniche analitiche avanzate per migliorare l'accuratezza delle loro ricerche. L'obiettivo è trovare segnali deboli nei dati rumorosi raccolti dalle pulsar.

La ricerca ha rivelato due possibili segnali, uno a bassa frequenza di circa 4 nanohertz (nHz) e un altro a una frequenza più alta di circa 170 nHz. Tuttavia, le prove per il segnale a bassa frequenza sono diventate meno significative considerando alcune correlazioni tra le pulsar, e il segnale ad alta frequenza è stato considerato meno probabile a causa dell'assenza di una galassia ospite plausibile.

#L'Importanza del Timing delle Pulsar

Il timing delle pulsar è fondamentale per rilevare le onde gravitazionali. Quando un'onda gravitazionale passa, può alterare leggermente il timing dei segnali delle pulsar. Misurando questi cambiamenti di timing, gli scienziati possono dedurre la presenza di onde gravitazionali. Il progetto NANOGrav utilizza dati provenienti da più pulsar per aumentare le possibilità di rilevare questi segnali deboli.

#Metodi di Analisi dei dati

I metodi sviluppati per l'analisi dei dati coinvolgono tecniche statistiche complesse. I ricercatori applicano queste tecniche per modellare i residui di timing di ogni pulsar. Distinguono il rumore normale nei dati dai potenziali segnali provenienti da onde gravitazionali. Strumenti software avanzati aiutano a semplificare i calcoli, permettendo un'elaborazione dei dati più rapida ed efficiente.

#I Risultati della Ricerca

Durante l'analisi, alcuni candidati hanno mostrato un leggero supporto per essere segnali genuini provenienti da sistemi binari di buchi neri. Tuttavia, la maggior parte dei segnali era o debole o considerata poco probabile. Il team ha stabilito dei limiti sull'ampiezza di deformazione delle onde gravitazionali emesse da questi sistemi. Questo significa che hanno stabilito una soglia al di sotto della quale sono certi che non esistono segnali.

La frequenza più sensibile misurata è stata di circa 6 nHz, dove hanno stabilito un limite superiore significativo sull'ampiezza di deformazione. Questo aiuta gli scienziati a capire meglio quanti sistemi binari di buchi neri potrebbero esistere nel cosmo.

#Sensibilità al Tempo e allo Spazio

La sensibilità della ricerca NANOGrav varia sia con la frequenza che con la posizione nel cielo. La distribuzione delle pulsar crea un'area di bassa sensibilità in alcune zone. Questa sensibilità irregolare significa che alcune regioni sono più adatte a rilevare segnali rispetto ad altre.

Il team di ricerca ha pubblicato i risultati su come diverse regioni del cielo possano fornire limiti superiori diversi per l'ampiezza di deformazione delle onde gravitazionali.

#Comprendere i Limiti di Distanza e Densità Numerica

I ricercatori hanno anche valutato la distanza da possibili sistemi binari di buchi neri basandosi sui loro risultati. Assumendo proprietà specifiche su questi binari, hanno calcolato distanze minime a cui le onde gravitazionali potrebbero essere rilevabili.

Inoltre, utilizzando i volumi di esclusione, i ricercatori hanno stabilito limiti su quanti buchi neri binari potrebbero esistere in uno spazio dato. Hanno usato metodi statistici per convertire i volumi di esclusione in limiti di densità numerica, che esprimono quanti binari potrebbero essere presenti per unità di volume.

#Impatto dello Sfondo delle Onde Gravitazionali

I risultati di questo studio contribuiscono a una comprensione dello sfondo più ampio delle onde gravitazionali (GWB). Si crede che questo sfondo sia influenzato dai segnali collettivi di molti sistemi binari di buchi neri supermassicci. Cercando binari individuali, gli scienziati possono migliorare i loro modelli del GWB e ottenere informazioni sulla popolazione di questi buchi neri.

#Direzioni Future

La ricerca per rilevare onde gravitazionali da sistemi binari di buchi neri individuali continua. I lavori futuri mirano a perfezionare gli algoritmi esistenti, analizzare dataset più ampi e migliorare le tecniche di modellazione del rumore. Confermare l'esistenza di singoli binari approfondirebbe la nostra conoscenza dell'universo e del comportamento dei buchi neri massicci.

#Conclusione

La ricerca continua di NANOGrav rappresenta un passo significativo nel nostro capire le onde gravitazionali e la struttura dell'universo. Man mano che vengono raccolti e analizzati più dati, la comunità scientifica spera di raggiungere delle scoperte nel campo dell'astronomia delle onde gravitazionali. Questo potrebbe portare alla scoperta di nuovi buchi neri, migliorare la nostra comprensione di quelli esistenti e fornire intuizioni su come galassie e buchi neri evolvono nel tempo.

Migliorando le tecniche di rilevamento e sfruttando i progressi nella tecnologia, i ricercatori sono ottimisti riguardo alla possibilità di fare scoperte significative nel campo delle onde gravitazionali.