Lo sfondo stocastico delle onde gravitazionali

Il sfondo stocastico delle onde gravitazionali è un debole ronzio casuale di onde gravitazionali attraversando l'universo da ogni direzione contemporaneamente. A differenza del “cinguettio” acuto di una singola coppia di buchi neri che si fondono, questo sottofondo è il mormorio misto di innumerevoli fonti, troppo numerose e troppo distanti per essere distinte: l’equivalente gravitazionale del ruggito della folla di uno stadio piuttosto che di una sola voce.

Da dove viene il ronzio

Due grandi categorie di fonti possono produrre un simile background. Astrofisico Le sorgenti sono il segnale combinato di un gran numero di buchi neri e stelle di neutroni che si fondono nel corso della storia cosmica, oltre, alle lunghezze d'onda più lunghe, di coppie di buchi neri supermassicci in orbita lenta al centro delle galassie. Cosmologico Le fonti verrebbero dall’universo primordiale: processi violenti vicini al Big Bang, come l’inflazione cosmica o le transizioni di fase, che avrebbero potuto far suonare lo spaziotempo come una campana. Rilevare la parte cosmologica sarebbe straordinario: sarebbe una finestra diretta sui primi istanti dell'universo, molto prima del sfondo cosmico a microonde può raggiungere.

Ascolto con array di temporizzazione pulsar

Le onde a frequenza più bassa – con periodi di anni – sono troppo lunghe per rilevatori a terra come LIGO. Invece, gli astronomi usano la galassia stessa come rilevatore. Array di temporizzazione pulsar monitorare dozzine di pulsar millisecondo, stelle di neutroni in rapida rotazione i cui impulsi radio arrivano con la regolarità di un orologio. Un’onda gravitazionale di passaggio allunga e comprime lo spazio tra la Terra e ciascuna pulsar, spostando i tempi di arrivo dell’impulso di miliardesimi di secondo in uno schema correlato. Nel 2023, collaborazioni tra cui NANOGrav hanno riportato la prima prova evidente proprio di questo segnale, il rilevamento dell’apertura dello sfondo delle onde gravitazionali a nanohertz.

Perché è importante

Lo sfondo contiene informazioni che nessuna singola fonte può fornire. La sua forza e il suo spettro codificano la popolazione di coppie di buchi neri supermassicci in tutto l’universo, e qualsiasi componente cosmologico metterebbe alla prova la fisica a energie che nessun acceleratore di particelle può raggiungere. Caratterizzarla è uno degli obiettivi centrali dell’astronomia delle onde gravitazionali nei prossimi decenni.

Un malinteso comune

Lo sfondo non è un "rumore" da sottrarre: è un segnale autentico, anche se sembra casuale. La sua casualità è una caratteristica dell’avere molte sorgenti sovrapposte, e la sua impronta statistica (in particolare il modello di correlazione tra diverse pulsar) è esattamente ciò che consente agli astronomi di distinguere un vero fondo di onde gravitazionali dal normale rumore di misurazione.