EVIDENZA DI UN FONDO DI ONDE GRAVITAZIONALI NEI DATI DELLE PULSAR

Sussurri dal lato oscuro nei dati di NanoGrav

La collaborazione NanoGrav ha osservato le prime prove di un fondo di onde gravitazionali nei dati di temporizzazione delle pulsar. Gli scienziati hanno esplorato la possibilità che questo fondo sia dovuto a una nuova fisica e in uno studio pubblicato su SciPost Physics mostrano che il segnale può adattarsi bene sia a uno scenario che contempla transizioni di fase sia a dinamiche di particelle simili agli assioni

     19/03/2021
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Illustrazione rappresentativa della Terra nello spazio-tempo deformato dal fondo di onde gravitazionali e gli effetti della deformazione sui segnali radio provenienti dalle pulsar osservate. Crediti: NanoGrav / T. Klein

La collaborazione NanoGrav ha osservato le prime evidenze di un fondo di onde gravitazionali nei dati di temporizzazione delle pulsar. In un articolo pubblicato sulla rivista SciPost Physics, Pedro Schwaller e Wolfram Ratzinger riportano che il segnale rilevato è coerente sia con una transizione di fase nell’universo primordiale, sia con la presenza di un campo di particelle estremamente leggere simili agli assioni (Alp), promettenti candidati per la materia oscura.

Sebbene il fondo cosmico a microonde non fornisca indizi sui primi 300mila anni dell’universo, lascia intravedere alcuni scorci di ciò che è accaduto durante il Big Bang. «L’universo primordiale per i fisici delle particelle è molto eccitante», spiega Schwaller del Prisma Cluster of Excellence presso la Johannes Gutenberg University Mainz (Jgu). «Questo è il momento in cui erano presenti le particelle elementari come quark e gluoni, che si sono combinate per formare i mattoni dei nuclei atomici». Le onde gravitazionali aprono una finestra su questi momenti di vita dell’universo.

La frequenza delle onde gravitazionali rilevate dalla collaborazione NanoGrav è molto bassa: 10-8 Hertz, che equivale a circa un’oscillazione all’anno. A causa della corrispondente lunghezza d’onda molto grande (circa 30mila miliardi di chilometri), per riuscire a rilevarle un rivelatore dovrebbe essere altrettanto grande, ma poiché non è possibile realizzare un tale rivelatore qui sulla Terra, gli astronomi di NanoGrav hanno usano il timing di pulsar lontane come enormi rivelatori.

«Anche se finora i dati ci forniscono solo un primo indizio dell’esistenza delle onde gravitazionali a bassa frequenza, è comunque molto eccitante per noi poterli trattare. Tali onde potrebbero essere prodotte da vari processi verificatisi nell’universo primordiale. Ora possiamo utilizzare i dati che abbiamo per decidere quali di questi processi prendere in considerazione e quali non si adattano affatto ai dati», spiega Ratzinger. Gli scienziati hanno deciso di indagare su due scenari in particolare che potrebbero aver causato le onde gravitazionali osservate: le transizioni di fase nell’universo primordiale – che si verificano a causa dell’abbassamento della temperatura della “zuppa” primordiale e provocano enormi turbolenze, ma non rientrano nel Modello Standard – e un campo di materia oscura di particelle simili agli assioni (Alp).

Sulla base dei dati disponibili, Schwaller e Ratzinger interpretano i risultati della loro analisi con cautela: «Forse è leggermente più probabile lo scenario di transizione di fase iniziale». D’altra parte, i due fisici ritengono che il fatto di essere in grado di elaborare determinate possibilità sulla base solo di dati limitati dimostra il potenziale del loro approccio. «Il nostro lavoro è un primo, ma importante sviluppo che ci dà molta fiducia nel fatto che con dati più precisi potremo trarre conclusioni affidabili sul messaggio che le onde gravitazionali ci stanno inviando dall’universo primordiale».

«Inoltre» conclude Pedro Schwaller, «possiamo già iniziare a definire alcune caratteristiche degli scenari e imporre loro dei vincoli, nel nostro caso la forza della transizione di fase e la massa degli assioni». Gli autori hanno riscontrato un buon adattamento ai dati per una transizione di fase molto forte a temperature comprese tra 1 MeV e 10 MeV e, nel caso dello scenario che contempla le Alp, il miglior adattamento si ottiene per una costante di decadimento di circa 5 × 1017 GeV e una massa assionica di 2 × 10−13 eV.

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