Un nuovo studio internazionale, coordinato da un team del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma, ha realizzato sofisticate simulazioni numeriche per prevedere i tempi cosmici nei quali la nostra Galassia si scontrerà con Andromeda fino a fondersi in un’unica “supergalassia”. I risultati del lavoro, che gettano nuova luce sul destino del nostro sistema stellare, sono stati pubblicati sulla rivista Astronomy and Astrophysics
La nostra galassia appartiene a un ammasso di galassie detto Gruppo Locale, composto da circa settanta sistemi stellari per la maggior parte di relativamente piccole dimensioni. Il centro di massa del Gruppo Locale si trova in un punto compreso fra la Via Lattea e la Galassia di Andromeda, che sono infatti, insieme alla galassia M 33, le sue componenti principali.
Le moderne osservazioni astronomiche suggeriscono l’esistenza all’interno sia della Via Lattea, che di Andromeda, di buchi neri supermassicci, con una massa superiore milioni di volte a quella del nostro Sole che a sua volta pesa circa un milione di volte la Terra. Non solo, la posizione e la velocità relativa delle due galassie lasciano ipotizzare una collisione futura tra i due sistemi che apre numerosi interrogativi sui loro destini e su quelli dei rispettivi buchi neri.
Oggi, un nuovo studio coordinato dal Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma, in collaborazione con l’Universitá di Heidelberg (Germania) e la Northwestern University (USA), fornisce le risposte a queste domande e individua i tempi cosmici in cui avverranno gli scontri fra le due galassie e i loro buchi neri.
Il lavoro, pubblicato sulla rivista Astronomy and Astrophysics, suggerisce che fra circa 10 miliardi di anni la Via Lattea e Andromeda si fonderanno in un’unica “supergalassia”, che potrebbe prendere il nome di Milkomeda.
I ricercatori sono giunti a tali risultati mediante sofisticate simulazioni numeriche, le quali sono state realizzate con un sistema di calcolo di alte prestazioni a disposizione del gruppo di astrofisica teorica (ASTRO) del Dipartimento di Fisica della Sapienza.
“In un tempo senz’altro lungo rispetto ai tempi umani, ma non enorme rispetto a quelli cosmici, le due galassie collideranno e si fonderanno in un’unica supergalassia, Milkomeda – spiega Roberto Capuzzo Dolcetta della Sapienza. “La prima collisione tra le galassie avverrà tra 4 miliardi di anni e la fusione tra circa 10 miliardi anni, tempo curiosamente simile a quella che è la stima dell’età dell’Universo, ovvero dal Big Bang a oggi”.
I dati ottenuti hanno permesso inoltre ai ricercatori di predire che, in seguito alla collisione galattica e alla fusione, i rispettivi buchi neri supermassicci delle due galassie si troveranno ad orbitare uno vicino all’altro.
“Ciò implica – aggiunge Roberto Capuzzo Dolcetta – che in un tempo mille volte più breve di quello necessario alla collisione delle galassie “madri”, i buchi neri si scontreranno a loro volta dando origine a una esplosione di onde gravitazionali di potenza inimmaginabile, miliardi di volte maggiore di quelle recentemente individuate dai grandi osservatori gravitazionali interferometrici della collaborazione internazionale LIGO-VIRGO negli Stati Uniti e in Italia”.
Future merger of the Milky Way with the Andromeda galaxy and the fate of their supermassive black holes, Riccardo Schiavi, Roberto Capuzzo-Dolcetta, Manuel Arca-Sedda, and Mario Spera – Astronomy and Astrophysics DOI /10.1051/0004-6361/202038674
Onde gravitazionali: le nuove sensazionali scoperte del team internazionale di ricercatori Virgo e LIGO
Il ruolo degli scienziati UNIPG
Helios Vocca e Roberto Rettori
Si è svolta oggi presso il Rettorato dell’Università degli Studi di Perugia la conferenza stampa di presentazione ai giornalisti umbri delle nuove, sensazionali scoperte scientifiche realizzate dai ricercatori dei progetti Virgo e LIGO.
Helios Vocca e Roberto Rettori
All’incontro con i giornalisti – realizzato in contemporanea con l’omologo evento internazionale che ha visto collegati i vari gruppi di ricerca in modalità streaming – erano presenti i professori Helios Vocca, Delegato del Rettore per il settore Ricerca, Valutazione e Fund-raising e Roberto Rettori, Delegato del Rettore per il settore Orientamento, Tutorato e Divulgazione scientifica, insieme a numerosi Delegati Rettorali e Direttori dei Dipartimenti dello Studium.
I ricercatori dei progetti Virgo e LIGO hanno annunciato l’osservazione della fusione di un sistema binario di massa straordinariamente grande: due buchi neri di 66 e 85 masse solari, hanno prodotto alla fine un buco nero di circa 142 masse solari. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo delle onde gravitazionali. Si trova in una regione di massa entro cui non è mai stato osservato prima un buco nero, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche, e potrebbe servire a spiegare la formazione dei buchi neri supermassicci. Inoltre, il componente più pesante del sistema binario iniziale si trova in un intervallo di massa proibito dalla teoria dell’evoluzione stellare e rappresenta una sfida per la nostra comprensione degli stadi finali della vita delle stelle massicce.
Helios Vocca
“Il risultato di oggi è per noi fonte di enorme soddisfazione – dichiara il professore Helios Vocca, responsabile del gruppo Virgo Perugia – perché si tratta di una nuova scoperta realizzata grazie ad un detector che è frutto anche del lavoro realizzato dal gruppo Virgo Perugia in trent’anni di attività: un impegno, quello del team perugino, che è stato ampiamente riconosciuto a livello internazionale e che ci vede coinvolti nel management sia del progetto Virgo, sia del nuovo esperimento giapponese ‘Kagra’, guidato da Takaaki Kajita, premio Nobel per la Fisica nel 2015 e laureato honoris causa del nostro Ateneo. Del nostro gruppo, inoltre – aggiunge Vocca – fa parte anche il dottor Michele Punturo, della sezione INFN di Perugia, attualmente Principal Investigator dell’esperimento ‘Einstein Europe’, il futuro detector europeo per le onde gravitazionali.
Il team di Perugia possiede competenze uniche al mondo – spiega il professor Vocca – in particolare sulle sospensioni degli specchi degli interferometri. In virtù di questa altissima specializzazione, stiamo lavorando insieme ad altri colleghi di vari Paesi europei e giapponesi per creare un laboratorio internazionale proprio a Perugia o comunque in Umbria, al fine di sfruttare le ricadute tecnologiche dei rilevatori di onde gravitazionali in altri settori, quali ad esempio quello del rischio sismico, affinché le avanzatissime tecnologie utilizzate nello spazio servano al miglioramento della vita dei cittadini.
Il tutto, inoltre, – conclude il professor Helios Vocca – avrà un’importante valenza per i nostri studenti: stiamo infatti puntando a costruire, in questo ambito scientifico, un’offerta didattica innovativa interuniversitaria, ovvero corsi di laurea realizzati in partnership con altri Atenei del centro-Italia, per dar vita a una ‘scuola’ che sia davvero unica persino a livello internazionale”.
Roberto Rettori
“In questo periodo di emergenza, nel rispetto delle direttive ministeriali, l’Università degli Studi di Perugia non ha mai interrotto né l’attività didattica né quella di ricerca – ha sottolineato il professore Roberto Rettori -. L’esperimento Virgo, che per l’unità di Perugia è coordinato dal professor Helios Vocca del Dipartimento di Fisica e Geologia, ne è una chiara dimostrazione.
I risultati che i nostri eccellenti ricercatori ottengono in tutte le discipline, permettono al nostro Ateneo di crescere e sempre di più diventare un punto di riferimento in Italia e nel mondo, promuovendo quindi Perugia e il suo territorio. Attraverso le numerose iniziative di divulgazione della ricerca che stiamo organizzando in tutta la regione, l’Università degli Studi di Perugia esce dalle sue mura, arriva alla popolazione e diventa suo patrimonio da difendere e valorizzare. Ringrazio il Magnifico Rettore, Professore Maurizio Oliviero, per il supporto costante che offre a tali iniziative nonché tutti i colleghi per il loro lavoro. L’Ateneo di Perugia è soprattutto il luogo accogliente della conoscenza dove i giovani possono realizzare le loro passioni e costruire il loro futuro”.
La Sala Dessau all’Università di Perugia
Perugia, 2 settembre 2020
Virgo e LIGO svelano nuove e inattese popolazioni di buchi neri
Helios Vocca e Roberto Rettori
Virgo e LIGO hanno annunciato l’osservazione della fusione di un sistema binario di massa straordinariamente grande: due buchi neri di 66 e 85 masse solari, hanno prodotto alla fine un buco nero di circa 142 masse solari. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo delle onde gravitazionali. Si trova in una regione di massa entro cui non è mai stato osservato prima un buco nero, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche, e potrebbe servire a spiegare la formazione dei buchi neri supermassicci. Inoltre, il componente più pesante del sistema binario iniziale si trova in un intervallo di massa proibito dalla teoria dell’evoluzione stellare e rappresenta una sfida per la nostra comprensione degli stadi finali della vita delle stelle massicce.
Gli scienziati delle collaborazioni internazionali che sviluppano e utilizzano i rivelatori Advanced Virgo presso lo European Gravitational Observatory (EGO) in Italia e i due Advanced LIGO negli Stati Uniti hanno annunciato l’osservazione di un buco nero di circa 142 masse solari, che è il risultato finale della fusione di due buchi neri di 66 e 85 masse solari. I componenti primari e il buco nero finale si trovano tutti in un intervallo di massa mai visto prima, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo di onde gravitazionali. L’evento di onda gravitazionale è stato osservato dai tre interferometri della rete globale il 21 maggio 2019. Il segnale (chiamato GW190521) è stato analizzato dagli scienziati, che stimano che la sorgente disti circa 17 miliardi di anni luce dalla Terra. Due articoli scientifici che riportano la scoperta e le sue implicazioni astrofisiche sono stati pubblicati oggi su Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters,
rispettivamente.
“Il segnale osservato il 21 maggio dello scorso anno è molto complesso e, dal momento che il sistema è così massiccio, lo abbiamo osservato per un tempo molto breve, circa 0.1 s”, dice Nelson Christensen, directeur de recherche CNRS presso ARTEMIS a Nizza in Francia e membro della Collaborazione Virgo. “Non assomiglia molto ad un sibilo che cresce rapidamente in frequenza, che è il tipo di segnale che osserviamo di solito: assomiglia piuttosto ad uno scoppio, e corrisponde alla massa più alta mai osservata da LIGO e Virgo.” Effettivamente, l’analisi del segnale – basata su una potente combinazione di modernissimi modelli fisici e di metodi di calcolo – ha rivelato una gran quantità di informazione su diversi stadi di questa fusione davvero unica.
Questa scoperta è senza precedenti non solo perché stabilisce il record di massa tra tutte le osservazioni fatte finora da Virgo e LIGO ma anche perché possiede altre caratteristiche speciali. Un aspetto cruciale, che ha attratto in particolare l’attenzione degli astrofisici, è che il residuo finale appartiene alla classe dei cosiddetti “buchi neri di massa intermedia” (da cento a centomila masse solari). L’interesse verso questa popolazione di buchi neri è collegato ad uno degli enigmi più affascinanti e intriganti per astrofisici e cosmologi: l’origine dei buchi neri supermassicci. Questi mostri giganteschi, milioni di volte più pesanti del Sole e spesso al centro delle galassie, potrebbero essere il risultato della fusione di buchi neri di massa intermedia.
Fino ad oggi, pochissimi esempi di questa categoria sono stati identificati unicamente per mezzo di osservazioni elettromagnetiche, e il residuo finale di GW190521 è la prima osservazione di questo genere per mezzo di onde gravitazionali. Ed è di interesse ancora maggiore, visto che si trova nella regione tra 100 e 1000 masse solari, che ha rappresentato per molti anni una specie di “deserto dei buchi neri”, a causa della scarsità di osservazioni in questo intervallo di massa.
I componenti e la dinamica della fusione del sistema binario che ha prodotto GW190521 offrono spunti astrofisici straordinari. In particolare, il componente più massiccio rappresenta una sfida per i modelli astrofisici che descrivono il collasso in buchi neri delle stelle più pesanti, quando queste arrivano alla fine della loro vita. Secondo questi modelli, stelle molto massicce vengono completamente distrutte dall’esplosione di supernova, a causa di un processo chiamato “instabilità di coppia”, e si lasciano dietro solo gas e polveri cosmiche. Perciò gli astrofisici non si aspetterebbero di osservare alcun buco nero nell’intervallo di massa tra 60 e 120 masse solari: esattamente dove si trova il componente più massiccio di GW190521. Quindi, questa osservazione apre nuove prospettive nello studio delle stelle massicce e dei meccanismi di supernova.
“Parecchi scenari predicono la formazione di buchi neri nel cosiddetto intervallo di massa di instabilità di coppia: potrebbero risultare dalla fusione di buchi neri più piccoli o dalla collisione multipla di stelle massicce o addirittura da processi più esotici”, dice Michela Mapelli, professore presso l’Università di Padova, e membro dell’INFN Padova e della Collaborazione Virgo. “Comunque, è possibile che si debba ripensare la nostra attuale comprensione degli stadi finali della vita di una stella e i conseguenti vincoli di massa sulla formazione dei buchi neri. In ogni caso, GW190521 è un importante contributo allo studio della formazione dei buchi neri.”
Infatti, l’osservazione di GW190521 da parte di Virgo e LIGO porta la nostra attenzione sull’esistenza di popolazioni di buchi neri che non sono mai stati osservati prima o sono inattesi, e in tal modo solleva nuove intriganti domande sui meccanismi con cui si sono formati. A dispetto del segnale insolitamente breve, che limita la nostra capacità di dedurre le proprietà astrofisiche della sorgente, le analisi più avanzate e i modelli attualmente disponibili suggeriscono che i buchi neri iniziali avessero alti valori di spin, o in altre parole che avessero un’elevata velocità di rotazione.
“Il segnale mostra segni di precessione, una rotazione del piano orbitale prodotta da spin elevati e con un’orientazione particolare”, nota Tito Dal Canton, ricercatore del CNRS presso IJCLab ad Orsay, Francia, e membro della Collaborazione Virgo, “L’effetto è debole e non possiamo esserne certi del tutto, ma se fosse vero darebbe forza all’ipotesi che i buchi neri progenitori siano nati e vissuti in un ambiente cosmico molto dinamico e affollato, come un ammasso stellare denso o il disco di accrescimento di un nucleo galattico attivo.”
Parecchi scenari diversi sono compatibili con questi risultati e anche l’ipotesi che i progenitori della fusione possano essere buchi neri primordiali non è stata scartata dagli scienziati. Effettivamente, noi stimiamo che la fusione abbia avuto luogo 7 miliardi di anni fa, un tempo vicino alle epoche più
antiche dell’Universo.
Rispetto alle precedenti osservazioni di onde gravitazionali, il segnale di GW190521 è molto breve e più difficile da analizzare. La complessa natura di questo segnale ci ha spinto a considerare anche altre sorgenti più esotiche, e queste possibilità sono descritte in un altro articolo che accompagna quello della scoperta. La fusione di un sistema binario di buchi neri resta però l’ipotesi più
probabile.
“Le osservazioni portate avanti da Virgo e LIGO illuminano l’universo oscuro e definiscono un nuovo panorama cosmico”, dice Giovanni Losurdo, che guida Virgo ed è dirigente di ricerca presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italia, “E oggi, ancora una volta, annunciamo una scoperta senza precedenti. Continuiamo a migliorare i nostri strumenti per aumentare la loro performance e
per vedere sempre più a fondo nell’Universo.”
Informazioni aggiuntive sugli osservatori di onde gravitazionali:
La Collaborazione Virgo è composta attualmente da circa 580 membri provenienti da 109 istituzioni in 13 diversi paesi, che comprendono Belgio, Francia, Germania, Grecia, Irlanda, Italia, Olanda, Polonia, Portogallo, Spagna e Ungheria. Lo European Gravitational Observatory (EGO) che ospita il rivelatore Virgo si trova vicino a Pisa in Italia ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia, e dal Nikhef in Olanda. Una lista dei gruppi della Collaborazione Virgo è disponibile al link http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/ . Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web di Virgo http://www.virgo-gw.eu
.LIGO è finanziato dalla National Science Foundation (NSF) e la sua operatività dipende da Caltech e MIT, che hanno concepito e guidato il progetto. Il sostegno finanziario per il progetto Advanced LIGO è venuto dall’NSF, con significativi impegni e contributi da parte tedesca (Max Planck Society), inglese (Science and Technology Facilities Council) e australiana (Australian Research Council-OzGrav). Circa 1300 scienziati di tutto il mondo partecipano all’impresa scientifica della Collaborazione LIGO, che include anche la Collaborazione GEO. Una lista di altri partners è disponibile al link https://my.ligo.org/census.php
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I RICERCATORI DI PERUGIA A CACCIA DELLE ONDE GRAVITAZIONALI
Un’esperienza ventennale nella descrizione teorica e nello sviluppo di tecnologie per osservare le onde gravitazionali che ha condotto anche a ricadute tecnologiche nel campo delle energie rinnovabili.
Helios Vocca e Roberto Rettori
Il gruppo di scienziati di Perugia che lavora all’esperimento Virgo per la rivelazione e lo studio di onde gravitazionali fa parte del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia e della Sezione di Perugia dell’INFN e da circa trent’anni si occupa de i rivelatori delle Onde Gravitazionali. Il gruppo si occupa per lo più di elabora re modelli teorici e tecniche sperimentali per studiare la dinamica dei sistemi fisici non lineari e in particolare p er lo studio del rumore. Si tratta cioè di conoscere le caratteristiche e saper limitare o utilizzare in modo efficiente tutte qu elle vibrazioni che popolano i fenomeni naturali, dalle vibrazioni delle molecole e degli atomi dovute alla temperatura alle vibrazioni macroscopiche che potrebbero disturbare la rivelazione dei segnali che arrivano dal cosmo e che l’esperimento Virgo rivela. Oltre a questo negli ultimi anni ha acquisito competenze di ottica quantistica, di data analisi e modelli stica della Relatività Generale per sistemi compatti.
Il gruppo di ricerca perugino attivo nell’esperimento Virgo è coordinato dal Prof. Helios Vocca (attualmente nel Management Team sia dell’esperimento europeo Virgo che dell’esperimento giapponese Kagra). Sono nel complesso 12, tra scienziati e tecnici, le persone del Dipartimento di Fisica e della Sezione di Perugia dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che costituiscono il team coinvolto nell’osservazione e nell’analisi dei dati raccolti sulle onde gravitazionali; fra loro anche il Dott. Michele Punturo responsabile del gruppo di ricerca astroparticellare per la sezione INFN di Perugia e attualmente Principal Investigato dell’esperimento Einstein Telescope, futuro detector europeo per le Onde Gravitazionali.
Le abilità acquisite dal team perugino nello studio delle vibrazioni, da quelle microscopiche a quelle più grandi, ha consentito di apportare un contributo essenziale ai metodi utilizzati per istallare gli specchi e il complesso dei sistemi ottici, cuore dello strumento per l’osservazione delle onde gravitazionali: l’interferometro Virgo. Il rivelatore Virgo istallato a Cascina, nelle campagne poco fuori Pisa, è costituito da due lunghi tubi di tre chilometri l’uno, disposti perpendicolarmente tra loro a formare una elle. All’interno di questi tubi si fa il vuoto e viene fatto correre un raggio laser avanti e indietro attraverso un sistema di specchi. È proprio lo spostamento degli specchi al passaggio dell’onda gravitazionale che ne rileva la presenza. Di conseguenza è cruciale la realizzazione di queste parti dell’apparato. Attraverso una conoscenza accurata del rumore termico, ovvero delle vibrazioni degli atomi e delle molecole che costituisco i materiati di cui sono fatte le parti del rivelatore Virgo, il gruppo di Perugia ha fatto sì che il segnale delle onde gravitazionali non si confondesse con altri disturbi provenienti dall’ambiente. Il gruppo di Perugia si è occupato, sin dalla nascita del progetto Virgo, dello sviluppo del sistema per sospendere gli specchi all’interno delle torri dell’esperimento. Tale sistema è unico perché consente allo specchio di poter oscillare dissipando pochissima energia e quindi rendendolo estremamente sensibile alla rivelazione dei segnali gravitazionali. Il pendolo è costituito da sottilissimi fili prima di acciaio, ora di un particolare vetro: il quarzo fuso. Insieme ai fili è stato ideato e realizzato un sistema originale di ancoraggio degli specchi attraverso tecniche innovative d’incollaggio delle componenti del rivelatore sviluppate tra i laboratori di Perugia e quelli di Glasgow. Queste tecnologie sono alla base dell’aumento di sensibilità che caratterizza il cosiddetto Advanded Virgo.
Le abilità tecniche e le conoscenze teoriche acquisite in questi trent’anni dai fisici dell’Università di Perugia, coinvolti nel progetto Virgo, ha consentito al gruppo di entrare da protagonista anche nell’esperimento giapponese, Kagra (esperimento guidato da una vecchia conoscenza dell’Ateneo perugino, il Prof. Takaaki Kajita premio Nobel in Fisica nel 2015, al quale nel 2017 è stata riconosciuta la laurea Honoris Causa) trasferendo le proprie competenze alla collaborazione asiatica per la realizzazione delle sospensioni criogeniche in zaffiro delle ottiche del rivelatore.
Testi e foto dall’Ufficio Stampa Università di Perugia
L’Universo in cui viviamo ci è in gran parte ignoto. La materia di cui siamo fatti noi, i pianeti, le stelle e tutti gli oggetti che osserviamo – e quindi conosciamo – ne costituisce meno del 5%. La restante parte dell’Universo è energia oscura (70%) e materia oscura (25%). Quest’ultima è detta “oscura” poiché, non emettendo radiazione elettromagnetica, rimane invisibile ai nostri strumenti, ma la sua presenza si rivela per via degli effetti gravitazionali osservati.
La ricerca delle particelle di materia oscura è una sfida che coinvolge da anni la comunità scientifica che si cimenta in esperimenti di osservazione diretta (in laboratori sotterranei come CERN, LNGS) e indiretta (nello spazio).
Tra i metodi indiretti vi è quello che sfrutta il fenomeno della superradianza dei buchi neri, esplorato approfonditamente nell’articolo Black hole superradiant instability from ultralight spin-2 fields, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.
Tale metodo è estremamente interessante anche perché si inserisce nel contesto della LGQ (Loop Quantum Gravity), teoria che cerca di unificare la meccanica quantistica e la relatività generale.
Abbiamo il piacere e l’onore di parlarne con il professor Paolo Pani, associato in Fisica Teorica presso il Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma, tra i protagonisti dello studio.
Il buco nero supermassiccio nel nucleo della galassia ellittica Messier 87 nella costellazione della Vergine. Si tratta della prima foto diretta di un buco nero, realizzata dal progetto internazionale Event Horizon Telescope. Foto modificataEvent Horizon Telescope, CC BY 4.0
In cosa consiste l’instabilità per superradianza, e in che modo la sfruttate per la vostra indagine?
La superradianza è un fenomeno che avviene in molti sistemi fisici quando un’onda riflessa da un oggetto viene amplificata a scapito dell’energia dell’oggetto stesso. Questo avviene anche per un buco nero, che può amplificare le onde elettromagnetiche o gravitazionali che “sbattono” su di esso. L’energia in eccesso viene presa dalla velocità di rotazione dell’oggetto, che diminuisce.
L’instabilità per superradianza è un fenomeno collegato: se le particelle del campo elettromagnetico (fotoni) o del campo gravitazionale (gravitoni) avessero una seppur minuscola massa, la radiazione amplificata per superradianza rimarrebbe intrappolata vicino al buco nero, generando un effetto a cascata che rallenta il buco nero fino quasi a fermare completamente la sua rotazione.
In questo caso l’energia in eccesso viene emessa in onde gravitazionali la cui frequenza è direttamente collegata all’ipotetica massa del campo. Se queste particelle ultraleggere esistessero, quindi, non dovremmo osservare buchi neri rotanti e ciascun buco nero si comporterebbe come un “faro” di onde gravitazionali.
Il fenomeno della superradianza ha qualche connessione con la radiazione di Hawking?
Sì, si può dire che la superradianza è la controparte “classica” della radiazione di Hawking, che è invece un effetto “quantistico”. La superradianza richiede che il buco nero ruoti, mentre nel caso della radiazione di Hawking il buco nero può rimanere statico. In questo caso la radiazione viene emessa spontaneamente, a scapito della massa del buco nero.
Può spiegarci quali sono i vantaggi di aver esteso il fenomeno al caso di campo tensoriale rispetto allo scalare e al vettoriale?
Il caso di campo tensoriale è strettamente collegato ad alcune teorie che prevedono una massa minuscola per il gravitone, una proprietà che potrebbe risolvere il problema della costante cosmologica e dell’energia oscura responsabile dell’espansione accelerata dell’universo.
Inoltre, campi tensoriali ultraleggeri sono ottimi candidati per spiegare la materia oscura che sembra permeare il cosmo ma che finora non si è riusciti a misurare in laboratorio. Il nostro studio mostra che i segnali di onde gravitazionali presenti e futuri permettono di ricercare queste particelle anche quando la loro massa è troppo piccola per essere vista in esperimenti terrestri, come negli acceleratori di particelle.
I vostri risultati sono condizionati dalla scelta della metrica di Kerr?
Nella teoria della gravitazione di Einstein, la relatività generale, la metrica di Kerr è l’unica possibile per descrivere un buco nero astrofisico. Nelle teorie che menzionavo sopra, tuttavia, possono esistere altre soluzioni che descrivono buchi neri differenti.
Nel nostro studio abbiamo fatto l’ipotesi standard che i buchi neri siano descritti dalla metrica di Kerr. Scelte differenti renderebbero i calcoli più laboriosi ma ci aspettiamo che non modifichino sostanzialmente il risultato: in presenza di campi ultraleggeri tutti i buchi neri rotanti sono instabili per superradianza ed emettono onde gravitazionali.
Quali porte si stanno aprendo e/o quali si stanno chiudendo sulla ricerca della materia oscura?
Il problema della materia oscura è che sappiamo davvero poco su di essa, e quindi svariate speculazioni teoriche sono possibili. Nel corso dei decessi alcuni modelli teorici sono divenuti più popolari di altri, ma l’ultima parola ce l’ha sempre l’esperimento: finché non scopriremo tracce di materia oscura oltre quelle ben note, non sarà possibile distinguere diversi modelli.
Gli esperimenti attuali atti a ricercare uno dei candidati più promettenti (le cosidette WIMPS, weakly interacting massive particles) hanno raggiunto precisioni tali che possono quasi escludere questa ipotesi. Un altro candidato molto promettente sono gli assioni, che sono appunto particelle ultraleggere che producono l’instabilita’ di superradianza dei buchi neri.
Penso che la risposta al problema della materia oscura arriverà da esperimenti innovativi, o magari proprio dai buchi neri, tramite segnali inaspettati di onde gravitazionali.
Riferimenti allo studio su instabilità per superradianza, buchi neri, materia oscura:
Black Hole Superradiant Instability from Ultralight Spin-2 Fields – Richard Brito, Sara Grillo, and Paolo Pani – Phys. Rev.Lett. 124, 211101 – Published 27 May 2020 DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.211101
WFIRST (Wide Field InfraRed Survey Telescope) – da poco ribattezzato Roman Telescope in onore dell’astronoma statunitense Nancy Grace Roman, affettuosamente chiamata “la mamma di Hubble” – è un progetto NASA designato ad indagare su alcuni grandi misteri dell’Universo come la materia e l’energia oscura e per cercare nuovi mondi in orbita attorno ad altre stelle della nostra galassia.
ScientifiCult ha l’onore di poter intervistare il dott. Valerio Bozza, ricercatore presso l’Università degli Studi di Salerno e attualmente impegnato a collaborare con la NASA per la realizzazione del Telescopio Roman.
Il dott. Valerio Bozza
Può raccontarci i momenti della Sua carriera professionale che ricorda con più piacere?
In vent’anni di ricerca ho avuto la fortuna di vivere tante soddisfazioni e di lavorare con le persone che hanno scritto i libri su cui ho studiato. Certamente, partecipare alle discussioni nello studio di Gabriele Veneziano al CERN con i cosmologi più importanti del mondo e poter assistere alla nascita di idee geniali su quella lavagna è stata un’esperienza formativa fondamentale. Quando ho avuto il mio primo invito a relazionare ad un workshop all’American Institute of Mathematics sul gravitational lensing di buchi neri e ho ricevuto i complimenti di Ezra T. Newman, ho capito che potevo davvero dire la mia anche io.
Ricordo ancora le notti di osservazioni allo European Southern Observatory a La Silla in Cile, sotto il cielo più bello del pianeta. Ricordo l’invito al Collège de France a Parigi da parte di Antoine Layberie per un seminario, che poi ho scoperto di dover tenere in francese! Poi non ci dimentichiamo la notizia della vittoria al concorso da ricercatore, che mi ha raggiunto mentre ero in Brasile per un altro workshop sulle perturbazioni cosmologiche. Infine, ricordo con una certa malinconia le notti e i giorni di lavoro all’Osservatorio Astronomico UNISA per mettere su un programma di ricerca competitivo. Tutto è finito con la copertina di Nature sulla scoperta del pianeta KELT-9b, il più caldo mai visto, e la distruzione dell’Osservatorio nel febbraio 2019, una ferita ancora aperta.
Adesso, però, è ora di concentrarsi sullo sviluppo del nuovo telescopio spaziale WFIRST della NASA, che il 20 maggio scorso è stato rinominato Nancy Grace Roman Space Telescope (o semplicemente “Roman”, in breve), in onore della astronoma che ha contribuito alla nascita dei primi telescopi spaziali della NASA.
Infine, ricordo con una certa malinconia le notti e i giorni di lavoro all’Osservatorio Astronomico UNISA con il Prof. Gaetano Scarpetta, per mettere su un programma di ricerca competitivo.
Ci sono degli aggiornamenti sulla data del lancio di Roman?
Il lancio del telescopio Roman era programmato per il 2025, ma diverse vicende hanno giocato contro in questi ultimi anni: il ritardo nel lancio del JWST, lo shutdown del governo americano ad inizio 2019 e soprattutto l’epidemia di COVID-19, che sta provocando ritardi su tutte le scadenze nella tabella di marcia. A questo punto, direi che uno slittamento all’anno successivo possa essere plausibile. Tuttavia, l’interesse verso questa missione sta continuando a crescere sia dentro che fuori l’ambito accademico, mettendola al riparo da eventuali tagli di budget.
Romanviene spesso paragonato al telescopio spaziale Hubble. Quali sono le differenze e le somiglianze? E con il JWST?
Si tratta di tre telescopi spaziali che spesso vengono citati insieme, ma sono tutti e tre profondamente diversi: Hubble opera nella banda del visibile e nell’ultravioletto, mentre non è molto sensibile all’infrarosso. Al contrario, sia JWST che Roman opereranno nel vicino infrarosso. JWST avrà un campo di vista molto più piccolo anche di Hubble, perché il suo scopo è fornirci immagini con dettagli mai visti prima di sistemi stellari e planetari in formazione. Roman, invece, avrà un campo di vista cento volte più grande di Hubble, perché il suo scopo è quello di scandagliare aree di cielo molto grandi alla ricerca di galassie o fenomeni transienti. La grande novità è che Roman condurrà queste survey a grande campo con una risoluzione di 0.1 secondi d’arco, simile a quella di Hubble! Quindi, avremo la possibilità di condurre la scienza di Hubble su enormi aree di cielo contemporaneamente. JWST, invece, condurrà osservazioni con un dettaglio molto migliore di Hubble e di Roman, ma su un singolo oggetto in un’area molto limitata.
Quali sono i target scientifici della missione e come vengono raggiunti?
A differenza di Hubble e JWST, Roman avrà poco spazio per richieste estemporanee di osservazioni. Sarà un telescopio essenzialmente dedicato a due programmi principali: una survey delle galassie lontane e una survey del centro della nostra Galassia. La prima survey effettuerà delle immagini di tutto il cielo alla ricerca di galassie deboli e lontane. Queste immagini consentiranno di capire meglio la distribuzione della materia nel nostro Universo, fissare le tappe dell’espansione cosmologica e chiarire i meccanismi alla base dell’espansione accelerata, scoperta venti anni fa attraverso lo studio delle supernovae Ia. I cosmologi si aspettano che Roman possa fornirci risposte fondamentali sulla natura della cosiddetta Dark Energy, che è stata ipotizzata per spiegare l’accelerazione del nostro Universo, ma la cui natura è del tutto sconosciuta.
Il secondo programma osservativo è una survey delle affollatissime regioni centrali della nostra galassia. Monitorando miliardi di stelle, ci aspettiamo che, almeno per una frazione di queste, la loro luce verrà amplificata da effetti temporanei di microlensing dovuti a stelle che attraversano la linea di vista. Il microlensing è un’amplificazione dovuta al ben noto effetto “lente gravitazionale” previsto dalla relatività generale di Einstein. Se la stella che fa da lente è anche accompagnata da un pianeta, l’amplificazione riporterà delle “anomalie” che potranno essere utilizzate per studiare e censire i sistemi planetari nella nostra galassia. Roman sarà così sensibile da rivelare anche pianeti piccoli come Marte o Mercurio!
Quali differenze tra le caratteristiche dei pianeti extrasolari che andrà a scoprire Roman e quelle dei pianeti che ha osservato Kepler e che osserva TESS?
Il metodo del microlensing, utilizzato da Roman, è in grado di scoprire pianeti in orbite medio-larghe intorno alle rispettive stelle. Al contrario, sia Kepler che TESS, utilizzano il metodo dei transiti, in cui si misura l’eclisse parziale prodotta dal pianeta che oscura parte della sua stella. Questi due satelliti, quindi, hanno scoperto tipicamente pianeti molto vicini alle rispettive stelle.
Ipotizzando di osservare una copia del Sistema Solare, Kepler e TESS potrebbero vedere Mercurio o Venere, nel caso di un buon allineamento. Roman, invece, avrebbe ottime probabilità di rivelare tutti i pianeti da Marte a Nettuno.
Un’altra differenza è che Roman scoprirà pianeti distribuiti lungo tutta la linea di vista fino al centro della Galassia, consentendo un’indagine molto più ampia della distribuzione dei pianeti di quanto si possa fare con altri metodi, tipicamente limitati al vicinato del Sole. Purtroppo, però, i pianeti scoperti col microlensing non si prestano ad indagini approfondite, poiché, una volta terminato l’effetto di amplificazione, i pianeti tornano ad essere inosservabili e sono perduti per sempre.
In definitiva, la conoscenza dei pianeti nella nostra Galassia passa per il confronto tra diversi metodi di indagine complementari. Ognuno ci aiuta a comprendere una parte di un puzzle che si rivela sempre più complesso, mano mano che scopriamo mondi sempre più sorprendenti.
Lo studio che lo dimostra mettendo insieme due teorie finora discordanti è stato pubblicato su Physical Review X
Sferici, lisci e semplici secondo la teoria della relatività o estremamente complessi e ricchissimi d’informazione come, seguendo le leggi quantistiche, diceva Stephen Hawking: su questi misteriosi oggetti cosmici una risposta univoca non c’è. Una nuova ricerca propone ora una soluzione al dilemma. Davvero sorprendente
Credits: Gerd Altmann da Pixabay
Tutti abbiamo negli occhi la prima incredibile immagine di un buco nero che ha fatto il giro del mondo circa un anno fa. Eppure, secondo una nuova ricerca targata Sissa, Ictp e Infn, i buchi neri sarebbero come un ologramma, dove tutte le informazioni sono ammassate su una superficie a due dimensioni capace di riprodurre un’immagine tridimensionale.
In questo modo questi corpi cosmici, come sostenuto dalle teorie quantistiche, potrebbero essere incredibilmente complessi e concentrare un’enorme quantità di informazione al proprio interno, come “il più grande hard disk che esista in Natura”, in due dimensioni. E questo senza contrapporsi alla relatività di Einstein che li vorrebbe in tre dimensioni, semplici, sferici, lisci, come si presentano in quella celebre immagine. Insomma, i buchi neri “appaiono” come non sono, proprio come gli ologrammi. Lo studio che lo dimostra, e che mette insieme due teorie finora discordanti, è da poco stato pubblicato su Physical Review X.
Il mistero dei buchi neri
Per gli scienziati, i buchi neri rappresentano un grosso punto interrogativo per diversi aspetti. Sono, per esempio, ottimi rappresentanti delle grosse difficoltà della fisica teorica nel mettere insieme i principi della teoria della relatività generale di Einstein con quelli della fisica quantistica quando si parla di gravità. Secondo la prima teoria sarebbero corpi semplici e senza informazione. Secondo l’altra, come sostenuto da Jacob Bekenstein e Stephen Hawking, sarebbero invece “i sistemi più complessi esistenti” perché caratterizzati da un enorme “entropia”, che misura la complessità di un sistema, e quindi con moltissima informazione al loro interno.
Il principio olografico applicato ai buchi neri
Per studiare i buchi neri, i due autori della ricerca Francesco Benini e Paolo Milan hanno utilizzato un’idea vecchia di quasi trent’anni ma ancora sorprendente detta “Principio olografico”. Raccontano i ricercatori: “Questo principio, rivoluzionario e un po’ controintuitivo, propone che il comportamento della gravità in una determinata regione di spazio si possa alternativamente descrivere in termini di un diverso sistema, che vive solo lungo il bordo di quella regione e quindi in una dimensione in meno. E, cosa più importante, in questa descrizione alternativa (detta appunto olografica) la gravità non compare esplicitamente. In altre parole, il principio olografico ci permette di descrivere la gravità usando un linguaggio che non contiene la gravità, evitando così frizioni con la meccanica quantistica”.
Quello che Benini e Milan hanno fatto in questo studio “è applicare la teoria del principio olografico ai buchi neri. In questo modo le loro misteriose proprietà termodinamiche sono diventate più comprensibili:
focalizzandoci sulla previsione che questi corpi abbiano una grande entropia, e osservandoli dal punto di vista della meccanica quantistica, si può descriverli proprio come un ologramma: sono a due dimensioni, in cui la gravità sparisce, ma riproducono un oggetto in tre dimensioni”.
Dalla teoria all’osservazione
“Questo studio” spiegano i due scienziati “è solo il primo passo verso una comprensione più profonda di questi corpi cosmici e delle proprietà che li caratterizzano quando la meccanica quantistica si incrocia con la relatività generale. Il tutto è ancora più importante ora, nel momento in cui le osservazioni in astrofisica stanno conoscendo un incredibile sviluppo. Basti pensare all’osservazione delle onde gravitazionali provenienti dalla fusione di buchi neri frutto della collaborazione LIGO e Virgo o, per l’appunto, quella del buco nero fatta dall’Event Horizon Telescope che ha prodotto quella straordinaria immagine. In un futuro vicino potremo forse mettere alla prova dell’osservazione le nostre predizioni teoriche riguardo la gravità quantistica, come quelle fatte in questo studio. E questo, dal punto di vista scientifico, sarebbe una cosa assolutamente eccezionale”.
Comunicato stampa sui buchi neri come ologramma dalla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati
Una nuova luce sulla strada della ricerca della materia ultraleggera dell’Universo arriva dai buchi neri. È quanto suggerisce lo studio del Dipartimento di Fisica della Sapienza pubblicato sulla rivista Physical Review Letters
Il buco nero supermassiccio nel nucleo della galassia ellittica Messier 87 nella costellazione della Vergine. Si tratta della prima foto diretta di un buco nero, realizzata dal progetto internazionale Event Horizon Telescope. Foto modificataEvent Horizon Telescope, CC BY 4.0
Le osservazioni sulla cosiddetta materia oscura del nostro Universo sono sempre più numerose e significative, ma sono ancora tante le incognite in questo affascinante campo della fisica moderna.
La particella elementare massiccia più leggera conosciuta in natura è il neutrino, con una massa qualche milione di volte più piccola di quella di un elettrone. Alcuni modelli di materia oscura hanno però suggerito l’esistenza di particelle elementari anche molto più leggere, le cui masse che possono essere miliardi di volte più piccole di quella di un neutrino.
Rilevare queste sfuggenti particelle è impossibile sulla Terra, a causa delle loro debolissime interazioni con la materia “conosciuta”, cosiddetta ordinaria.
In un nuovo lavoro recentemente pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, il team di ricercatori coordinato da Paolo Pani del Dipartimento di Fisica della Sapienza, ha identificato nei buchi neri un metodo innovativo per la ricerca di questa materia oscura ultraleggera.
I buchi neri possono amplificare radiazione in un certo range di frequenze generando un sorprendente effetto chiamato superradianza. Finora la superradianza e il suo segnale emesso in onde gravitazionali sono stati studiati solo per una certa famiglia di particelle con proprietà simili al fotone, per riprodurre onde elettromagnetiche, qui, per la prima volta sono stati applicati a particelle con proprietà simili al gravitone, trasformando i buchi neri in veri e propri “fari di onde gravitazionali”.
Secondo i ricercatori, se tali particelle esistono in natura e hanno una massa minuscola, potenzialmente qualsiasi buco nero nell’universo potrebbe emettere periodicamente onde gravitazionali a una data frequenza (direttamente correlata alla massa delle particelle di materia oscura), analogamente a uno strumento musicale che ripete sempre la stessa singola nota con cadenza regolare.
“Cercando questo segnale – commenta Paolo Pani – i rivelatori di onde gravitazionali come LIGO e Virgo (e la futura missione spaziale LISA, supportata da ESA e NASA) cercheranno la materia oscura ultraleggera in un nuovo regime, finora praticamente inesplorato. E forse, dopo tutto, la risposta al problema della materia oscura verrà proprio dai buchi neri”.
Lo studio è parte del progetto Marie Skłodowska Curie “FunGraW” (PI: Richard Brito) e del progetto ERC DarkGRA (PI: Paolo Pani) entrambi ospitati presso il Dipartimento di Fisica della Sapienza.
Riferimenti:
Black Hole Superradiant Instability from Ultralight Spin-2 Fields – Richard Brito, Sara Grillo, and Paolo Pani – Phys. Rev. Lett. 124, 211101 – Published 27 May 2020 DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.211101
Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma
