Nel febbraio 2016, gli scienziati che hanno lavorato per il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno effettuato il primo rilevamento in assoluto delle onde gravitazionali. Da quel momento, sono stati effettuati rilevamenti multipli, in gran parte grazie ai miglioramenti degli strumenti e ai maggiori livelli di collaborazione tra osservatori. Guardando al futuro, è possibile che le missioni non progettate a tale scopo possano anche "illuminare la luna" come rilevatori di onde gravitazionali.
Ad esempio, il veicolo spaziale Gaia - che è impegnato a creare la mappa 3D più dettagliata della Via Lattea - potrebbe anche essere strumentale quando si tratta di ricerca sulle onde gravitazionali. È quanto ha affermato recentemente un team di astronomi dell'Università di Cambridge. Secondo il loro studio, il satellite Gaia ha la sensibilità necessaria per studiare le onde gravitazionali a bassissima frequenza prodotte da fusioni supermassicci di buco nero.
Lo studio, intitolato "Metodo di ricerca astrometrica per sorgenti di onde gravitazionali individualmente risolvibili con Gaia", è recentemente apparso nel Lettere di revisione fisica. Guidato da Christopher J. Moore, un fisico teorico del Center for Mathematical Sciences presso l'Università di Cambridge, il team comprendeva membri dell'Istituto di astronomia di Cambridge, del Cavendish Laboratory e del Kavli Institute for Cosmology.
Per ricapitolare, le onde gravitazionali (GW) sono increspature nello spazio-tempo che sono create da eventi violenti, come fusioni di buchi neri, collisioni tra stelle di neutroni e persino il Big Bang. Originariamente previsto dalla Teoria della relatività generale di Einstein, osservatori come LIGO e Advanced Virgo rilevano queste onde misurando il modo in cui lo spazio-tempo si flette e si schiaccia in risposta ai GW che attraversano la Terra.
Tuttavia, il passaggio di GW causerebbe anche l'oscillazione della Terra nella sua posizione rispetto alle stelle. Di conseguenza, un telescopio spaziale orbitante (come Gaia), sarebbe in grado di captarlo notando uno spostamento temporaneo nella posizione di stelle distanti. Lanciato nel 2013, l'osservatorio di Gaia ha trascorso gli ultimi anni a condurre osservazioni ad alta precisione delle posizioni delle stelle nella nostra Galassia (alias astrometria).
A questo proposito, Gaia cercherebbe piccoli spostamenti nel vasto campo di stelle che sta monitorando per determinare se le onde gravitazionali sono passate attraverso il vicinato della Terra. Per indagare se Gaia fosse o meno al compito, Moore e i suoi colleghi hanno eseguito calcoli per determinare se il telescopio spaziale Gaia avesse la sensibilità necessaria per rilevare GW a frequenza ultra bassa.
A tal fine, Moore e i suoi colleghi hanno simulato le onde gravitazionali prodotte da un buco nero supermassiccio binario, ovvero due SMBH in orbita l'un l'altro. Ciò che hanno scoperto è che comprimendo i set di dati di un fattore superiore a 106 (misurando 100.000 stelle invece di un miliardo alla volta), i GW potrebbero essere recuperati dai dati di Gaia con una perdita di sensibilità dell'1%.
Questo metodo sarebbe simile a quello utilizzato negli array di temporizzazione Pulsar, in cui un insieme di pulsar di millisecondi viene esaminato per determinare se le onde gravitazionali modificano la frequenza dei loro impulsi. Tuttavia, in questo caso, le stelle vengono monitorate per vedere se oscillano con uno schema caratteristico, anziché pulsare. Osservando un campo di 100.000 stelle alla volta, i ricercatori sarebbero in grado di rilevare movimenti apparenti indotti (vedi figura sopra).
Per questo motivo, il rilascio completo dei dati di Gaia (previsto per i primi anni 2020) è probabilmente una grande opportunità per coloro che cercano segnali GW. Come ha spiegato Moore in a Fisica APS comunicato stampa:
“Gaia renderà la misurazione di questo effetto una prospettiva realistica per la prima volta. Numerosi fattori contribuiscono alla fattibilità dell'approccio, compresa la precisione e la lunga durata delle misurazioni astrometriche. Gaia osserverà circa un miliardo di stelle per 5-10 anni, localizzandole ciascuna almeno 80 volte durante quel periodo. Osservare così tante stelle è il principale progresso fornito da Gaia. ”
È anche interessante notare che il potenziale per il rilevamento di GW era qualcosa che i ricercatori hanno riconosciuto quando Gaia era ancora in fase di progettazione. Uno di questi era Sergei A. Klioner, un ricercatore dell'Osservatorio Lorhrmann e il leader del gruppo Gaia alla TU di Dresda. Come indicato nel suo studio del 2017, "Astrometria simile a Gaia e onde gravitazionali", Gaia è stata in grado di rilevare GW causati dalla fusione di SMBH anni dopo l'evento:
"È chiaro che le fonti più promettenti di onde gravitazionali per il rilevamento astrometrico sono i buchi neri binari supermassicci nei centri delle galassie ... Si ritiene che i buchi neri supermassicci binari siano un prodotto relativamente comune di interazione e fusione delle galassie nel corso tipico di la loro evoluzione. Questo tipo di oggetti può fornire onde gravitazionali con frequenze e ampiezze potenzialmente alla portata dell'astrometria spaziale. Inoltre, le onde gravitazionali di quegli oggetti possono spesso essere considerate avere frequenza e ampiezza praticamente costanti durante l'intero periodo di osservazione di diversi anni. "
Ma, naturalmente, non vi è alcuna garanzia che setacciare i dati di Gaia rivelerà ulteriori segnali GW. Per prima cosa, Moore e i suoi colleghi riconoscono che le onde a queste frequenze ultra-basse potrebbero essere troppo deboli per essere rilevate anche da Gaia. Inoltre, i ricercatori dovranno essere in grado di distinguere tra GW e segnali contrastanti che risultano da cambiamenti nell'orientamento del veicolo spaziale - che non è una sfida facile!
Tuttavia, c'è speranza che missioni come Gaia siano in grado di rivelare GW che non sono facilmente visibili ai rilevatori interferometrici a terra come LIGO e Advanced Virgo. Tali rivelatori sono soggetti a effetti atmosferici (come la rifrazione) che impediscono loro di vedere onde a frequenza estremamente bassa, ad esempio le onde primordiali prodotte durante l'epoca inflazionistica del Big Bang.
In questo senso, la ricerca sulle onde gravitazionali non è diversa dalla ricerca sugli esopianeti e su molti altri rami dell'astronomia. Per trovare le gemme nascoste, potrebbe essere necessario che gli osservatori occupino lo spazio per eliminare le interferenze atmosferiche e aumentarne la sensibilità. È quindi possibile che altri telescopi spaziali vengano riorganizzati per la ricerca GW e che i rilevatori GW di prossima generazione saranno montati a bordo di veicoli spaziali.
Negli ultimi anni, gli scienziati sono passati dal primo rilevamento delle onde gravitazionali allo sviluppo di modi nuovi e migliori per rilevarli. Di questo passo, non passerà molto tempo prima che astronomi e cosmologi siano in grado di includere le onde gravitazionali nei nostri modelli cosmologici. In altre parole, saranno in grado di mostrare quale influenza hanno avuto queste onde nella storia e nell'evoluzione dell'Universo.
