• Friday July 19,2019

La terza rilevazione di onde gravitazionali è molto più di buchi neri

Anonim

Il nostro sole era ancora debole. Le onde si sono schiantate sulle spiagge marziane. La vita stava emergendo sulla Terra.

Questo è quando i fantasmi di due stelle morte - i buchi neri dozzine di volte più grandi del nostro sole - si sono fusi in un angolo remoto dell'universo. Nei loro ultimi istanti, questi buchi neri binari ruotavano l'un l'altro centinaia di volte al secondo, mentre ognuno si girava di 10 volte.

I rumori di tuoni lontani da quella collisione hanno raggiunto la Terra il 4 gennaio di quest'anno, passando attraverso il rilevatore del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) di Hanford, nello stato di Washington. Poi, viaggiando alla velocità della luce, questa ruga nello spazio-tempo passò attraverso il secondo rivelatore di LIGO a Livingston, in Louisiana, solo una frazione di secondo dopo.

I risultati sono stati pubblicati giovedì sulla rivista Physical Review Letters .

Forze cosmiche

La gravità è il più debole tra le quattro forze fondamentali della natura. Quindi solo gli eventi cosmici estremi come le supernove, le stelle di neutroni e la fusione dei buchi neri possono rendere rilevabili le onde gravitazionali. Le onde sono così deboli da deformare la distanza tra la Terra e il Sole solo dalla larghezza di un atomo di idrogeno. Ma mentre queste onde passano attraverso i rivelatori gemelli di LIGO, i suoi enormi laser riescono a cogliere i tratti veramente minuscoli e le spinte dello spazio-tempo. Puoi pensarlo come un sismometro per misurare mini terremoti nel tessuto gravitazionale del cosmo.

Quando LIGO ottiene un successo, l'onda gravitazionale fa un segnale caratteristico che gli scienziati chiamano un "cinguettio" a causa del suono che produce una volta tradotto in un formato che le orecchie umane possono udire.

Questa fu la terza scoperta di questo genere da quando Albert Einstein pronunciò per la prima volta le onde gravitazionali un secolo fa come parte della sua teoria generale della relatività, o teoria della gravità. Prese insieme, queste osservazioni formano i primi campioni di un censimento del buco nero con implicazioni di ampia portata.

Prima di scontrarsi, i buchi neri binari individuati all'inizio di quest'anno pesavano 19 e 31 volte la massa del nostro sole. Dopo la fusione, la coppia ha creato un unico buco nero 49 volte più massiccio del sole. Le equazioni di Einstein ci dicono che energia e massa sono intercambiabili. E così la quantità mancante di energia solare è stata irradiata attraverso l'universo come onde gravitazionali.

E con questa scoperta, gli scienziati per la prima volta pensano che i due buchi neri potrebbero aver ruotato in direzioni opposte. Questo potrebbe rivelare indizi sulla vita delle stelle che li hanno formati. È possibile che le due stelle vivessero in un denso ammasso stellare.

Prima di LIGO, gli astronomi non sapevano che i cosiddetti buchi neri di massa solare, che si formano quando le stelle muoiono, potrebbero raggiungere dimensioni così estreme.

Questo censimento può anche aiutare a spiegare un mistero duraturo in astronomia. Gli scienziati hanno visto buchi neri supermassicci che dominano intere galassie, così come piccoli buchi neri che si formano dopo la morte delle stelle. Sappiamo anche ora dei cosiddetti buchi neri di massa intermedia che pesano tanto quanto migliaia di soli. Ma come si formano tutti questi? Molti piccoli buchi neri combinano intro grandi e grandi colossi? LIGO sta appena iniziando a mettere insieme questo puzzle.

Più di buchi neri

L'ultimo segnale ha impiegato circa 3 miliardi di anni luce per raggiungere la Terra, il doppio rispetto agli altri rilevamenti. E poiché l'onda gravitazionale è arrivata immutata, fornisce un'altra prova di una delle teorie di Einstein, dimostrando che la gravità viaggia alla velocità della luce.

"LIGO sarà molto più di un buco nero", dice il fisico dell'Università del Wisconsin-Milwaukee (UWM) Jolien Creighton, un veterano del team di rilevamento.

L'osservatorio ha forzato l'apertura di una nuova finestra sull'universo, consentendo agli scienziati di ascoltare da distanze cosmiche lontane - luoghi in cui i telescopi convenzionali si presentano vuoti. LIGO porterà nuove intuizioni su tutto, dagli elementi più pesanti sulla Terra alla natura stessa della gravità.

La prossima grande scoperta di LIGO dovrebbe provenire dal rilevare collisioni di stelle di neutroni binari - i cadaveri di stelle morte che racchiudono il valore di un sole in una sfera di dimensioni cittadine. Queste fusioni avvengono a lunghezze d'onda simili alle collisioni di buco nero già viste da LIGO, e gli scienziati una volta si aspettavano di vedere prima le stelle di neutroni.

"Questo documento riporta solo alcune settimane di dati, e abbiamo in programma di correre fino ad agosto", dice Chad Hanna, uno scienziato LIGO della Pennsylvania State University. "Potremmo ancora rilevare altri eventi."

Quindi è possibile che una fusione di stelle di neutroni binari possa ancora essere vista quest'anno, o dopo che la collaborazione di LIGO aggiornerà i suoi strumenti nei prossimi anni. Un aggiornamento della scorsa estate non ha aumentato la sensibilità dello strumento tanto quanto gli scienziati speravano.

"Molti degli elementi che vediamo sulla Terra non sono stati formati in stelle esplosive ma si sono formati nella collisione di stelle di neutroni binarie", dice Creighton. Gli esseri umani sono per lo più fatti di roba tipica come il carbonio e l'idrogeno, ma altri elementi terreni con numeri atomici elevati, come l'oro, sono sospettati di provenire da questi eventi più esotici.

"La maggior parte dell'oro che vediamo nel sistema solare potrebbe provenire da una collisione di stelle di neutroni binarie che ha prodotto qualcosa come una massa d'oro di Giove e l'ha dispersa in tutte le direzioni", dice Creighton.

LIGO rileverà le fusioni di stelle di neutroni e invierà un allarme alla più grande comunità di astronomia, dicendo ai ricercatori di puntare tutti i loro telescopi verso quella regione di cielo e catturare l'evento. Le osservazioni permetteranno agli scienziati di testare le teorie in condizioni che non potrebbero mai essere ricreate in un laboratorio.

I fisici sperano anche che più osservazioni di LIGO rivelino nuove intuizioni sulla gravità stessa, così come la particella teorizzata che porta la forza chiamata gravitone. È per gravità ciò che il fotone deve illuminare. Come il fotone, gli scienziati sospettano che anche questo non abbia massa. E questa terza rilevazione dell'onda gravitazionale LIGO ha contribuito a limitare la gravità del gravitone. Ma anche i nuovi test sono all'orizzonte.

"Sono davvero entusiasta di testare la relatività generale", dice la fisica dell'UWM Sarah Caudill, che lavora con i cluster di computer che rendono possibili i rilevamenti LIGO. Sospetta che LIGO possa rivelare che la teoria di Einstein necessita di alcune piccole correzioni.

"Penso che la maggior parte della gente sarebbe sorpresa se la relatività generale fosse corretta al 100 percento, ma non ci sono prove che non lo sia ancora. Einstein ha creato questa teoria 100 anni fa e senza alcuna capacità di osservare le onde gravitazionali, quindi per lui essere corretti al 100% sarebbe una vera impresa ".


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