{"id":9564,"date":"2021-02-05T20:24:37","date_gmt":"2021-02-05T19:24:37","guid":{"rendered":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=9564"},"modified":"2021-02-05T23:11:07","modified_gmt":"2021-02-05T22:11:07","slug":"alla-ricerca-delle-onde-gravitazionali-primordiali","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cielipiemontesi.it\/?p=9564","title":{"rendered":"Alla ricerca delle onde gravitazionali primordiali"},"content":{"rendered":"\n

Un team guidato dal Massachusetts Institute of Technology ha sviluppato un metodo per estrarre il debole segnale delle onde gravitazionali primordiali dai dati dei rivelatori di onde gravitazionali di prossima generazione. Si tratta di un\u2019alternativa alla ricerca delle increspature nello spaziotempo basata sul fondo cosmico a microonde. Con un commento di Daniela Paoletti dell’Inaf<\/em><\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Le onde gravitazionali primordiali, prodotte quasi 13.8 miliardi di anni fa nei momenti successivi al Big Bang, riecheggiano ancora oggi nell\u2019universo. Crediti: Mit News<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Si pensa che le prime onde gravitazionali<\/strong><\/a> risalgano ai momenti immediatamente successivi al Big Bang<\/strong><\/a>. Come prodotto delle fluttuazioni quantistiche nella zuppa primordiale<\/em>, queste prime increspature che si sono venute a formare nel tessuto dello spaziotempo<\/strong><\/a> sono state rapidamente amplificate dai processi inflazionistici<\/strong><\/a> che hanno spinto l\u2019universo a espandersi in modo esplosivo. Queste onde gravitazionali primordiali<\/strong>, prodotte quasi 13.8 miliardi di anni fa,<\/em> riecheggiano ancora oggi nell\u2019universo ma sono annegate da onde gravitazionali prodotte da eventi pi\u00f9 recenti,<\/em> come la collisione di buchi neri<\/strong><\/a> e stelle di neutroni<\/strong><\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Ora, un team guidato da Sylvia Biscoveanu<\/strong> del Kavli Institute for Astrophysics and Space Research<\/strong><\/a> del Massachusetts Institute of Technology<\/strong><\/a> (Mit) ha sviluppato un nuovo metodo <\/strong>per estrarre i segnali molto deboli delle increspature primordiali dai dati forniti dai rivelatori di onde gravitazionali<\/em>. I risultati sono stati pubblicati questa settimana su Physical Review Letters<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Le onde gravitazionali vengono registrate quasi quotidianamente dagli interferometri\u00a0Ligo<\/strong><\/a>\u00a0e Virgo<\/strong><\/a>,\u00a0ma i segnali gravitazionali primordiali sono di diversi ordini di grandezza pi\u00f9 deboli<\/strong> di ci\u00f2 che questi rivelatori sono in grado di registrare<\/em>.
Si prevede che la prossima generazione di rivelatori sar\u00e0 abbastanza sensibile da captare<\/em> queste prime increspature e gi\u00e0 nel prossimo decennio, con l\u2019arrivo di strumenti pi\u00f9 sensibili, il nuovo metodo potrebbe essere applicato per scovare le tracce nascoste delle prime onde gravitazionali dell\u2019universo<\/em>. Il modello e le propriet\u00e0 di queste onde primordiali potrebbero quindi rivelare indizi sull\u2019universo primordiale<\/em>, come le condizioni che hanno guidato l\u2019inflazione<\/strong>.<\/p>\n\n\n\n

\u00abSe la forza del segnale primordiale rientra nella gamma di ci\u00f2 che i rivelatori di nuova generazione potranno rilevare \u2013 come sembra \u2013 allora si tratter\u00e0 pi\u00f9 o meno di \u201cgirare la manovella\u201d sui dati, usando questo metodo che abbiamo sviluppato\u00bb, dice Biscoveanu<\/strong>. \u00abQueste onde gravitazionali primordiali potranno quindi raccontarci qualcosa sui processi nell\u2019universo primordiale, che sono altrimenti impossibili da sondare\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Finora, la caccia alle onde gravitazionali primordiali si \u00e8 concentrata principalmente sul fondo cosmico a microonde<\/strong><\/a> (Cmb), che si pensa sia la radiazione fossile del Big Bang. Oggi, questa radiazione permea l\u2019universo ed \u00e8 rilevabile nella banda delle microonde dello spettro elettromagnetico. Gli scienziati ritengono che quando si sono formate le onde gravitazionali primordiali, hanno lasciato un\u2019impronta nel Cmb sotto forma di modi B<\/strong><\/em>, un particolare tipo di polarizzazione<\/strong><\/a>. I fisici hanno cercato le tracce dei modi B in vari modi. Uno di questi \u00e8 stato il Bicep Array<\/strong><\/a>, una serie di esperimenti tra cui Bicep2<\/strong> con il quale, nel 2014, gli scienziati ritenevano di averli trovati<\/strong><\/a>. Tuttavia, il segnale si \u00e8 rivelato essere dovuto alla polvere galattica<\/strong><\/a>.<\/p>\n\n\n\n

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Impressione artistica di un\u2019onda gravitazionale, nella quale lo spaziotempo \u00e8 perturbato dal movimento di due buchi neri che ruotano l\u2019uno intorno all\u2019altro. Le onde gravitazionali compaiono quando un evento perturba la curvatura dello spaziotempo e si propagano verso l\u2019esterno alla velocit\u00e0 della luce. Crediti: Swinburne Astronomy Productions<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Mentre alcuni scienziati continuano a cercare onde gravitazionali primordiali nel Cmb<\/em>, altri stanno cercando le increspature direttamente nei dati delle onde gravitazionali<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

L\u2019idea alla base \u00e8 quella di provare a sottrarre il segnale astrofisico in primo piano<\/strong> (foreground<\/em>), ossia qualsiasi segnale di onde gravitazionali che proviene da sorgenti astrofisiche, come buchi neri<\/strong><\/a> e stelle di neutroni<\/strong><\/a> che si stanno fondendo, oppure da supernove<\/strong><\/a> che esplodono. Solo dopo aver sottratto questo primo piano astrofisico, i fisici possono sperare di ottenere una stima dei segnali pi\u00f9 silenti \u2013 non astrofisici \u2013 che potrebbero contenere onde gravitazionali primordiali<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

Il problema con questi metodi \u00e8 che il primo piano astrofisico contiene anche segnali molto deboli \u2013 ad esempio quelli generati da fusioni pi\u00f9 lontane \u2013 che sono troppo deboli da discernere e difficili da stimare nella sottrazione finale<\/em>. \u00abL\u2019analogia che mi piace fare \u00e8 che se sei a un concerto rock, lo sfondo primordiale \u00e8 come il ronzio delle luci sul palco e il primo piano astrofisico \u00e8 paragonabile alle conversazioni di tutte le persone intorno a te<\/em>\u00bb, spiega Biscoveanu. \u00abPuoi sottrarre le singole conversazioni fino a una certa distanza, ma poi quelle che sono molto lontane o veramente deboli continuano a verificarsi, ma non riesci a distinguerle. Quando andrai a misurare il volume del ronzio delle luci del palco, ti ritroverai la contaminazione di queste deboli conversazioni di cui non puoi liberarti, perch\u00e9 non riesci a sottrarle<\/em>\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Nel loro nuovo approccio, i ricercatori hanno fatto affidamento su un modello per descrivere le \u201cconversazioni\u201d pi\u00f9 ovvie del primo piano astrofisico. Il modello considera i segnali delle onde gravitazionali prodotte dalla fusione di oggetti astrofisici di diverse masse e spin<\/em>. Il team lo ha quindi utilizzato per creare dati simulati di onde gravitazionali generate da sorgenti astrofisiche, sia forti che deboli<\/strong> (come la fusione di buchi neri). Poi ha cercato di caratterizzare ogni segnale astrofisico presente in questi dati simulati, ad esempio per identificare le masse e gli spin dei buchi neri binari<\/em>. Questi parametri sono pi\u00f9 facili da identificare per i segnali pi\u00f9 forti e solo debolmente vincolati per i segnali pi\u00f9 deboli. Mentre i metodi precedenti utilizzano solo un best guess<\/em> (un\u2019ipotesi considerata migliore) per i parametri di ciascun segnale, al fine di sottrarlo dai dati, il nuovo metodo tiene conto dell\u2019incertezza in ogni caratterizzazione del modello<\/em> ed \u00e8 quindi in grado di discernere la presenza di segnali pi\u00f9 deboli<\/em>, anche se non sono ben caratterizzati. Biscoveanu afferma che questa capacit\u00e0 di quantificare l\u2019incertezza aiuta i ricercatori a evitare qualsiasi bias<\/em> nella misurazione dello sfondo primordiale.<\/p>\n\n\n\n

Una volta identificati questi modelli distinti e non casuali nei dati delle onde gravitazionali, alla simulazione sono stati introdotti anche segnali di onde gravitazionali primordiali casuali, oltrech\u00e9 il rumore strumentale specifico per ciascun rivelatore.<\/p>\n\n\n\n

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Vista dall\u2019alto dell\u2019interferometro Virgo. Crediti: The Virgo collaboration\/Cco 1.0<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Si ritiene che le onde gravitazionali primordiali permeino l\u2019universo come un ronzio diffuso e persistente, che i ricercatori hanno ipotizzato dovrebbe avere lo stesso aspetto \u2013 e quindi essere correlato \u2013 in due rivelatori qualsiasi<\/em>. Al contrario, il resto del rumore casuale ricevuto dovrebbe essere specifico per quel rivelatore<\/em> e non correlato ad altri rivelatori. Ad esempio, il rumore generato dal traffico nelle vicinanze dovrebbe essere diverso a seconda della posizione di un determinato rivelatore. Confrontando i dati di due rivelatori, dopo aver tenuto conto delle sorgenti astrofisiche dipendenti dal modello, potrebbero essere individuati i parametri dello sfondo primordiale<\/em>.<\/p>\n\n\n\n

I ricercatori hanno testato il nuovo metodo simulando 400 secondi di dati di onde gravitazionali<\/em>, che hanno riempito con onde gravitazionali simulate che rappresentano fonti astrofisiche<\/em>, come la fusione di buchi neri. In tutti i dati hanno anche inserito un segnale, simile al ronzio persistente di un\u2019onda gravitazionale primordiale<\/em>. Hanno quindi diviso questi dati in segmenti di quattro secondi<\/em> e applicato il loro metodo a ciascun segmento<\/em>, per vedere se riuscivano a identificare con precisione sia eventuali fusioni di buchi neri,<\/em> sia il modello dell\u2019onda primordiale simulata<\/em>. Dopo aver analizzato ogni segmento di dati in molte sessioni di simulazione e in condizioni iniziali variabili, sono riusciti a estrarre lo sfondo primordiale in essi sepolto<\/strong>. \u00abSiamo stati in grado di adattare contemporaneamente sia il primo piano astrofisico che lo sfondo, in modo che il segnale di fondo che riceviamo non \u00e8 risultato contaminato dal primo piano residuo<\/strong>\u00bb, conclude la Biscoveanu.<\/p>\n\n\n\n

Quando i rivelatori sensibili di nuova generazione saranno disponibili, il nuovo metodo potr\u00e0 essere utilizzato per correlare e analizzare i dati da due diversi rivelatori<\/em>, per setacciare il segnale delle onde gravitazionali primordiali. Cos\u00ec, gli scienziati potrebbero riuscire a trovare un filo utile da ricondurre alle condizioni dell\u2019universo primordiale.<\/p>\n\n\n\n

\u00abLe onde gravitazionali primordiali sono l\u2019ultima frontiera della cosmologia, quanto di pi\u00f9 lontano possiamo guardare e sentire nel tempo\u00bb, spiega a Media Inaf<\/em> Daniela Paoletti<\/strong>, ricercatrice dell\u2019Inaf Oas di Bologna<\/strong><\/a>, esperta di fondo cosmico a microonde. \u00abMa sono un\u2019eco debolissima sommersa da un universo chiassoso e luminoso. La precisione degli esperimenti futuri \u00e8 tale da poter potenzialmente sentire attraverso questo caos. Questo lavoro dimostra come, sviluppando tecniche di analisi dati dedicate, sia veramente possibile riconoscere la voce pi\u00f9 debole in mezzo al coro.
Il metodo sviluppato sfrutta un concetto gi\u00e0 utilizzato in altri settori, come nella radiazione di fondo cosmico a microonde, ed \u00e8 studiato per l\u2019elevato grado di complessit\u00e0 per la rivelazione di un segnale tanto debole in un foreground cos\u00ec complesso<\/em>. La tecnica proposta ha uno dei maggiori punti di forza nella sua flessibilit\u00e0. Si valida il metodo con analisi semplificate ma poi permette di ampliarlo includendo diverse incertezze sia sui modelli teorici che sullo strumento<\/em>, con l\u2019obiettivo di avere un metodo completo da usare sui dati reali<\/strong>.
La sfida pi\u00f9 grande forse saranno le risorse computazionali che richieder\u00e0 tale analisi ma nei prossimi dieci anni entreremo nell\u2019era dell\u2019exascale computing<\/strong><\/em> per cui non sar\u00e0 pi\u00f9 un problema. \u00c8 entusiasmante vedere come gli sforzi per rivelare la presenza di onde gravitazionali primordiali seppur utilizzando due sensi diversi \u2013 in un certo senso noi osserviamo il fondo cosmico a microonde e sentiamo le onde gravitazionali \u2013 stiano procedendo in modo analogo su binari paralleli per infrangere quest\u2019ultima frontiera\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

Per saperne di pi\u00f9:<\/strong><\/p>\n\n\n\n