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A tempo di pulsar con MeerKAT: una nuova mappa dell’universo nelle onde gravitazionali

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mappa universo Rappresentazione artistica delle onde gravitazionali e del cielo sopra una delle antenne del radiotelescopio sudafricano MeerKAT, gestito dall’Osservatorio SARAO. Crediti: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)

A TEMPO DI PULSAR CON MEERKAT: UNA NUOVA MAPPA DELL’UNIVERSO NELLE ONDE GRAVITAZIONALI

La collaborazione MeerKAT Pulsar Timing Array (MPTA) ha confermato l’evidenza di un fondo cosmico di onde gravitazionali, un segnale che si ritiene derivi da una popolazione di coppie di buchi neri supermassicci spiraleggianti. Grazie alla sua sensibilità senza precedenti, l’esperimento MPTA si distingue come il rivelatore più potente di onde gravitazionali a frequenza ultra bassa nell’emisfero australe. Questa caratteristica ha consentito di mappare con precisione la distribuzione delle onde gravitazionali nell’universo.

Rappresentazione artistica delle onde gravitazionali e del cielo sopra una delle antenne del radiotelescopio sudafricano MeerKAT, gestito dall’Osservatorio SARAO. Crediti: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)
Rappresentazione artistica delle onde gravitazionali e del cielo sopra una delle antenne del radiotelescopio sudafricano MeerKAT, gestito dall’Osservatorio SARAO. Crediti: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)

Grazie a quasi 5 anni di osservazioni con il radiotelescopio sudafricano MeerKAT, un gruppo di ricerca guidato dalla collaborazione MeerKAT Pulsar Timing Array (MPTA) ha trovato ulteriori conferme all’ipotesi dell’esistenza di un fondo cosmico di onde gravitazionali aventi frequenze estremamente basse (1-10 nanoHertz), ottenendo la mappa finora più dettagliata della distribuzione di queste onde gravitazionali nell’Universo. Il segnale potrebbe provenire da una popolazione di coppie di buchi neri supermassicci spiraleggianti. Gli esiti di questo sforzo internazionale, che ha visto coinvolti anche ricercatrici e ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dell’Università di Milano-Bicocca, hanno prodotto tre studi pubblicati oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Le antenne che formano il radiotelescopio sudafricano MeerKAT. Crediti: Enrico Sacchetti / INAF

Il MeerKAT Pulsar Timing Array è un esperimento internazionale che utilizza il sensibilissimo radiotelescopio MeerKAT (gestito dal South African Radio Astronomy Observatory) proprio per osservare, circa ogni due settimane, decine e decine di pulsar e misurare il tempo di arrivo degli impulsi radio con una precisione che può raggiungere le decine di nanosecondi.

“Grazie a queste caratteristiche, MPTA costituisce il più potente rivelatore di onde gravitazionali di frequenza ultra bassa nell’intero emisfero australe”,

sottolinea Federico Abbate, ricercatore dell’INAF di Cagliari e tra gli autori di tutti e tre gli articoli pubblicati oggi.

Le pulsar, stelle di neutroni in rapida rotazione, fungono da orologi naturali e i loro impulsi radio regolari permettono agli scienziati di rilevare minime variazioni causate dal passaggio delle onde gravitazionali. Nel corso di questi anni abbiamo imparato a conoscere cosa sono queste onde gravitazionali, perturbazioni nel tessuto dello spazio-tempo teorizzate già negli anni venti dello scorso secolo da Albert Einstein e causate da alcuni degli eventi più potenti dell’Universo (per esempio la coalescenza di un sistema binario formato da due buchi neri). La sovrapposizione di queste onde, la cui rilevazione è particolarmente difficile, forma una sorta di ronzio cosmico che fornisce preziosi indizi sui processi nascosti che modellano la struttura dell’Universo.

Il team ha infatti trovato ulteriori forti indicazioni circa l’esistenza di segnali di onde gravitazionali provenienti dal lento spiraleggiare, uno attorno all’altro, di buchi neri supermassicci, catturando però un segnale più intenso rispetto a esperimenti simili in corso con altri strumenti. Ulteriori dati e tecniche di analisi ancora più avanzate sono adesso necessari per confermare tale ipotesi e individuare univocamente il sistema binario di buchi neri supermassicci.

“Siamo fortunati che la natura ci abbia fornito orologi così precisi distribuiti in tutta la nostra galassia, le cosiddette pulsar”,

aggiunge Kathrin Grunthal, ricercatrice del Max-Planck-Institut für Radioastronomie e prima autrice di uno degli articoli scientifici pubblicati oggi.

“Utilizzando MeerKAT, uno dei radiotelescopi più potenti al mondo, possiamo monitorare con precisione questi oggetti e cercare nel loro comportamento minuscoli cambiamenti causati dalle onde gravitazionali che risuonano attraverso l’Universo”.

 

“Studiare il ronzio delle onde gravitazionali ci permette di sintonizzarci sugli echi di eventi cosmici avvenuti nel corso di miliardi di anni”,

spiega Matthew Miles, ricercatore di OzGrav e della Swinburne University of Technology, nonché autore principale di due degli articoli pubblicati oggi su MNRAS.

Golam Shaifullah, ricercatore dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca, a sua volta coinvolto nella ricerca, approfondisce:

“Rivelare onde gravitazionali a frequenze nell’ordine dei nanohertz ci permetterà non solo di cercare sistemi binari formati da buchi neri supermassicci, ma anche di aprire una finestra sulle fasi più antiche della formazione dell’Universo, oltre che su una varietà di processi fisici esotici.”

A 18 mesi di distanza dalla prima serie di pubblicazioni da parte di altri tre esperimenti internazionali (tra cui l’European Pulsar Timing Array, EPTA, in cui sono è coinvolto INAF, l’Università di Milano Bicocca e il Gran Sasso Science Institute), i risultati pubblicati oggi offrono nuove prospettive per la comprensione dei buchi neri più massicci dell’Universo, sul loro ruolo nella formazione del cosmo e sull’architettura cosmica che hanno lasciato dietro di sé.

mappa universo Rappresentazione artistica delle onde gravitazionali e del cielo sopra una delle antenne del radiotelescopio sudafricano MeerKAT, gestito dall’Osservatorio SARAO. Crediti: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)
A tempo di pulsar con MeerKAT: una nuova mappa dell’universo nelle onde gravitazionali con tre studi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Rappresentazione artistica delle onde gravitazionali e del cielo sopra una delle antenne del radiotelescopio sudafricano MeerKAT, gestito dall’Osservatorio SARAO. Crediti: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology and South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)

Caterina Tiburzi, ricercatrice dell’INAF di Cagliari coinvolta nella collaborazione EPTA, spiega:

“Comprendere e modellare il rumore di fondo che affligge il segnale delle pulsar, causato dagli effetti del gas ionizzato interposto tra le stelle, la Terra e il Sole, è l’elemento chiave per confermare definitivamente i risultati di MPTA, così come quelli di EPTA e degli altri esperimenti precedenti. I nuovi ricevitori a bassa frequenza di MeerKAT saranno strumenti straordinari per questo scopo”.

“Oltre all’entusiasmo per i nuovi esiti osservativi – conclude infine Andrea Possenti, dell’INAF Cagliari, e membro della collaborazione MPTA fin dalla sua fondazione nel 2018 – questo è un momento cruciale, che dimostra come la collaborazione internazionale negli esperimenti di tipo Pulsar Timing Array, nei quali INAF è coinvolto da oltre 20 anni, spalancherà infine le porte dell’astronomia delle onde gravitazionali di frequenza ultra bassa”.

prototipo SKA

 

Per altre informazioni:

I tre articoli pubblicati oggi su sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society:

  • “The MeerKAT Pulsar Timing Array: Maps of the gravitational-wave sky with the 4.5 year data release” di K. Grunthal et al.

  • “The MeerKAT Pulsar Timing Array: The 4.5-year data release and the noise and stochastic signals of the millisecond pulsar population” di Matthew T. Miles et al.

  • “The MeerKAT Pulsar Timing Array: The first search for gravitational waves with the MeerKAT radio telescope” di Matthew T. Miles et al.

 

Testi, video e immagini dagli Uffici Stampa dell’Università di Milano-Bicocca e dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – INAF

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Astronomia

Zona abitabile: l’acqua non basta, ci vuole la giusta radiazione UV

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zona abitabile acqua radiazione UV

ZONA ABITABILE: NUOVO STUDIO CHE RILEVA COME PER REALIZZARE LE CONDIZIONI ADATTE ALLA VITA NON BASTI LA SOLA ACQUA, MA SI NECESSITA UNA RADIAZIONE UV DELLA STELLA NÉ TROPPO INTENSA DA RISULTARE DANNOSA NÉ TROPPO DEBOLE DA NON AGIRE COME CATALIZZATORE PER LO SVILUPPO DELLA VITA

Rappresentazione artistica di uno dei pianeti nel sistema TRAPPIST-1. Crediti: ESO/N. Bartmann/spaceengine.org

Un team tutto italiano di ricercatori dell’Università dell’Insubria, dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha di recente portato alla luce una tematica molto rilevante nell’ambito della ricerca di mondi abitabili tra gli esopianeti. Nello specifico i ricercatori si sono chiesti se gli esopianeti scoperti nella cosiddetta “zona abitabile” (vale a dire la zona intorno a una stella dove c’è possibilità che esista acqua liquida sulla superficie) ricevono un flusso di radiazione ultravioletta favorevole allo sviluppo e al mantenimento della vita. Per la raccolta dei dati il team ha utilizzato il telescopio spaziale Swift della NASA per osservare 17 stelle che ospitano 23 pianeti nella zona abitabile. I risultati sono stati pubblicati oggi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Riccardo Spinelli, dottorando dell’Università dell’Insubria e primo autore dello studio, spiega:

“Abbiamo dimostrato che i pianeti scoperti nella zona abitabile delle nane rosse, che sono circa il 75% delle stelle dell’universo, non ricevono abbastanza radiazione ultravioletta per innescare alcuni processi che – secondo esperimenti recenti – portano alla formazione dei mattoni fondamentali della vita (ad esempio RNA)”.

zona abitabile acqua radiazione UV
Rappresentazione artistica della stella nana bianca WD1054–226 attorno alla quale orbitano nubi di detriti planetari e un pianeta nella sua zona abitabile. Crediti: Mark A. Garlick / markgarlick.com

L’acqua è sicuramente un elemento fondamentale per lo sviluppo della vita come la conosciamo noi. Tuttavia, alcuni esperimenti dimostrano che le condizioni per generare la vita e preservarla potrebbero essere molteplici. Ad esempio, la luce ultravioletta della stella attorno a cui i pianeti orbitano può essere un fattore determinante nel definire l’abitabilità di un pianeta. La radiazione ultravioletta prodotta dalla stella che raggiunge il pianeta ha un duplice ruolo: può favorire la formazione di zuccheri primari che assieme agli altri “mattoni” possono portare allo sviluppo della vita ma può anche risultare dannosa distruggendo le catene del DNA delle prime cellule e batteri che si formano. La zona abitabile, l’intervallo di distanze a cui un pianeta in orbita attorno alla sua stella riesce a conservare l’acqua allo stato liquido sulla sua superficie, deve sovrapporsi, almeno in parte, con la zona in cui la radiazione UV della stella non è né troppo intensa da risultare dannosa né troppo debole da non agire come catalizzatore per lo sviluppo della vita.

Il ricercatore aggiunge: “Dai dati raccolti abbiamo dedotto che le nane rosse che abbiamo studiato emettono troppa poca radiazione vicino-ultravioletta per innescare l’origine della vita secondo una chimica che richiede tale radiazione. Inoltre abbiamo trovato una relazione tra la luminosità di una stella nella banda vicino-ultravioletta e la temperatura superficiale di una stella. Questa relazione ci consente di dire che una stella per innescare tali reazioni nella zona abitabile, ovvero irraggiare un pianeta in zona abitabile con un flusso vicino-ultravioletto sufficiente, deve avere una temperatura superficiale di almeno 4000 gradi. Dato che circa il 75% delle stelle dell’Universo sono stelle più fredde questo potrebbe dire che la maggior parte delle stelle dell’Universo non riesce a formare questi mattoni fondamentali per la vita”.

Al contrario, le stelle più calde delle nane rosse riescono a fornire ai pianeti orbitanti nella zona abitabile una radiazione ultravioletta sufficiente ad innescare i processi per la formazione dei mattoni fondamentali per la vita.

Recenti studi sperimentali hanno dimostrato che, in laboratorio, alcuni zuccheri fondamentali per la vita si formano efficientemente se alcune molecole (come acido cianidrico e anidride solforica) vengono esposte ad un flusso minimo di radiazione con lunghezza d’onda nel vicino-ultravioletto.

“D’altra parte sappiamo che troppa radiazione ultravioletta è deleteria per la vita, perché danneggia il DNA e distrugge molte proteine. Dunque esiste attorno ad ogni stella una fascia entro la quale un pianeta potrebbe ricevere abbastanza radiazione UV per innescare l’origine della vita, ma non troppa da distruggerla. Abbiamo definito questa fascia zona ‘UV abitabile’. È una definizione analoga a quella di zona abitabile, che delimita la zona attorno ad una stella dove l’irraggiamento stellare consente una temperatura adatta alla presenza di acqua liquida sulla superficie planetaria, condizione che si ritiene necessaria alla vita sulla Terra. Il nostro lavoro è partito dalla domanda: gli esopianeti scoperti che orbitano nella zona abitabile, orbitano anche nella zona UV abitabile?”, sottolinea Francesco Borsa dell’INAF di Milano.

Perché utilizzare Swift? Questo telescopio osserva nella banda ultravioletta, mediante lo strumento UltraViolet Optical Telescope (UVOT) “che ci ha permesso di misurare il flusso delle stelle selezionate che hanno attorno a loro pianeti orbitanti nella fascia abitabile. Alcune delle osservazioni di cui avevamo bisogno non erano presenti nell’archivio di dati Swift e quindi abbiamo fatto una proposta osservativa ottenendo una frazione del tempo che l’Italia ha a disposizione in accordo con gli altri stati (USA e UK) che hanno costruito e gestiscono il satellite”, afferma ancora Spinelli.

“Un cambiamento di prospettiva interessante è che in futuro l’eventuale scoperta di vita su pianeti abitabili attorno a nane rosse, potrebbe farci riconsiderare l’ipotesi che la luce ultravioletta sia fondamentale per la formazione della vita. In qualche modo, gli esopianeti potrebbero rappresentare anche dei laboratori per studiare come la vita si è originata sulla terra”, conclude Giancarlo Ghirlanda dell’INAF di Milano.

 

Per ulteriori informazioni:

L’articolo “The ultraviolet habitable zone of exoplanets”, di Riccardo Spinelli, Francesco Borsa, Giancarlo Ghirlanda, Gabriele Ghisellini, Francesco Haardt, è stato pubblicato su pubblicato su Monthly Notices Royal Astronomical Society (MNRAS).

Testo e immagini dall’Ufficio stampa – Struttura per la Comunicazione Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)

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Astronomia

Con l’European Pulsar Timing Array un altro passo verso l’osservazione di onde gravitazionali a bassissima frequenza

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EPTA onde gravitazionali a bassissima frequenza
Con l’European Pulsar Timing Array un altro passo verso l’osservazione di onde gravitazionali a bassissima frequenza
Pubblicato su MNRAS lo studio che ha visto in prima linea i ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca
EPTA onde gravitazionali a bassissima frequenza
Con l’European Pulsar Timing Array un altro passo verso l’osservazione di onde gravitazionali a bassissima frequenza. Il logo dell’EPTA di Robert Ferdman, Sotirios Sanidas, CC BY-SA 3.0

 

Milano, 27 ottobre 2021 – L’European Pulsar Timing Array (EPTA) è una collaborazione scientifica che riunisce team di astronomi afferenti ai più grandi radiotelescopi Europei, e coordina gruppi di ricercatori specializzati nell’analisi dei dati e nella modellizzazione dei segnali di onde gravitazionali. Fra questi è presente il gruppo di astrofisica del Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini” dell’Università di Milano-Bicocca. L’EPTA ha recentemente pubblicato sulla storica rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society un’analisi dettagliata (“Common-red-signal analysis with 24-yr high-precision timing of theEuropean Pulsar Timing Array: Inferences in the stochasticgravitational-wave background search“; DOI: 10.1093/mnras/stab2833) di un segnale compatibile con il tanto ricercato fondo di onde gravitazionali proveniente da una popolazione cosmica di binarie di buchi neri supermassicci.
Sebbene non sia ancora possibile confermare l’origine gravitazionale del segnale, questo rappresenta un altro passo significativo nello sforzo di rivelare per la prima volta onde gravitazionali a bassissima frequenza, con frequenze dell’ordine di un miliardesimo di Hertz. Il segnale candidato è emerso da un’analisi dettagliata senza precedenti condotta utilizzando due metodologie indipendenti. Inoltre, il segnale presenta forti somiglianze con quello riscontrato da analisi di altri team.
Le pulsar sono stelle di neutroni molto compatte che emettono fasci di onde radio collimati  in direzione dei poli magnetici, in generale non allineati con l’asse di rotazione della stella creando un “effetto faro”. Se i fasci attraversano la nostra linea di vista, da terra osserviamo un impulso periodico molto preciso: un orologio che batte un tic ad ogni rotazione della pulsar. Un pulsar timing array (PTA) è un insieme di pulsar rotanti molto stabili, utilizzate come un enorme rivelatore galattico di onde gravitazionali. PTA, sensibile a onde gravitazionali con frequenze del miliardesimo di Hertz, è quindi un osservatorio complementare agli attuali rivelatori a terra LIGO/Virgo/Kagra, sensibili a frequenze comprese fra 10 Hz ad 1000 Hertz. Mentre questi ultimi rivelano le repentine collisioni di buchi neri di massa stellare e stelle di neutroni, un PTA può osservare onde emesse da sistemi binari di buchi neri supermassicci che spiraleggiano l’uno intorno all’altro al centro delle galassie. Il sovrapporsi di moltissimi di questi segnali, provenienti da una popolazione cosmica di binarie massicce, crea un cosiddetto “fondo stocastico” di onde gravitazionali.
«Possiamo misurare piccole fluttuazioni nei tempi di arrivo del segnale radio delle pulsar sulla Terra, causate dalla deformazione dello spazio-tempo dovuta al passaggio di un’onda gravitazionale. In pratica queste deformazioni si manifestano come una perturbazione a bassissima frequenza dei tempi di arrivo degli impulsi osservati, perturbazione comune a tutte le pulsar di un PTA», spiega il dottor Golam Shaifullah, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica “Giuseppe Occhialini”, co-autore principale dello studio.
Tuttavia, l’ampiezza di questa perturbazione è incredibilmente piccola (stimata nell’ordine delle decine di miliardesimi di secondo) e può essere confusa o mascherata da tantissimi altri effetti fisici che possono creare piccole instabilità nel periodo di rotazione delle pulsar, elementi della rete PTA. Per convalidare i risultati sono stati quindi utilizzati più codici indipendenti con diverse tecniche statistiche per mitigare fonti alternative di rumore e identificare il segnale gravitazionale.
È importante sottolineare che nell’analisi sono state utilizzate due procedure “end-to-end” indipendenti per la verifica incrociata dei risultati. Inoltre, sono stati utilizzati tre metodi indipendenti per tenere conto dei possibili errori sistematici dovuti all’incertezza sulla conoscenza delle masse e posizioni dei corpi celesti nel sistema solare: incertezza che può indurre falsi positivi nella rivelazione del segnale stocastico di onde gravitazionali.
Le analisi svolte da EPTA con entrambe le procedure hanno riscontrato la presenza di un chiaro segnale candidato per un fondo stocastico gravitazionale, e le sue proprietà spettrali (ovvero come l’ampiezza della perturbazione osservata varia con la frequenza) rimangono all’interno delle aspettative teoriche per questo tipo di segnale.
Il dottor Nicolas Caballero, ricercatore presso il Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics di Pechino e co-autore principale, spiega: «L’EPTA ha trovato per la prima volta indicazioni di questo segnale nei dati precedentemente pubblicati nel 2015, ma poiché i risultati avevano maggiori incertezze statistiche, sono stati discussi rigorosamente solo come limiti superiori. I nostri nuovi dati ora confermano chiaramente la presenza di questo segnale, rendendolo un candidato per un fondo stocastico di onde gravitazionali».
La Relatività Generale di Einstein prevede una relazione molto specifica tra le deformazioni spazio-temporali sperimentate dai segnali radio provenienti da pulsar situate in diverse direzioni nel cielo. Gli scienziati la chiamano correlazione spaziale del segnale o curva di Hellings e Downs. Il suo rilevamento identificherà in modo univoco l’eventuale origine gravitazionale del segnale osservato.
«Al momento – nota il dottor Siyuan Chen, ricercatore all’LPC2E, CNRS di Orléans in Francia, co-autore principale dello studio – le incertezze statistiche nelle nostre misurazioni non ci consentono ancora di identificare la presenza della correlazione spaziale prevista per il segnale dovuto ad onde gravitazionali. Per ulteriori conferme dobbiamo includere i dati di più pulsar nell’analisi, tuttavia i risultati attuali sono molto incoraggianti».
L’EPTA è un membro fondatore dell’International Pulsar Timing Array (IPTA). Poiché anche le analisi dei dati indipendenti eseguite dagli altri partner IPTA (cioè gli esperimenti NANOGrav e PPTA) hanno indicato segnali comuni simili, è diventato fondamentale applicare più algoritmi di analisi per aumentare la confidenza in un possibile rilevamento futuro di questo fondo stocastico. I membri dell’IPTA stanno lavorando insieme, traendo conclusioni dal confronto delle analisi dei diversi dati per prepararsi al meglio per i prossimi passi.
Alberto Sesana, professore associato di Milano-Bicocca e membro dell’EPTA, conclude: «Il rilevamento di un fondo di onde gravitazionali proveniente da una popolazione di sistemi binari di buchi neri supermassicci o da altre sorgenti di origine cosmica fornirà informazioni uniche sui modelli cosmologici di evoluzione dell’Universo, imponendo forti vincoli al processo di aggregazione delle galassie come le vediamo oggi. Pertanto, stiamo intensificando i nostri sforzi aggiungendo i dati di nuove pulsar e rafforzando i controlli incrociati delle nostre analisi. Non c’è spazio per gli errori».
Testo dall’Ufficio Stampa Università di Milano-Bicocca, circa lo studio pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, altro passo verso l’osservazione di onde gravitazionali a bassissima frequenza.
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