IL FUTURO INTERFEROMETRO ANDRÀ ALLA RICERCA DI NUOVI CAMPI FONDAMENTALI

Sistemi binari estremi nel mirino di Lisa

La Relatività generale di Einstein è la teoria corretta per i fenomeni gravitazionali? È possibile sfruttare tali fenomeni per scoprire nuovi campi fondamentali? Sono i temi affrontati in uno studio pubblicato su Nature Astronomy da Andrea Maselli, ricercatore del Gran Sasso Science Institute, e dai colleghi della Sissa, dell’Università di Nottingham e della Sapienza Università di Roma

     11/02/2022
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Sezione di un’orbita percorsa da un oggetto stellare attorno a un buco nero massivo. Crediti: N. Franchini

Un articolo pubblicato ieri su Nature Astronomy, condotto da Andrea Maselli, ricercatore del Gssi (Gran Sasso Science Institute), associato Infn, assieme a ricercatori della Sissa, dell’Università di Nottingham e della Sapienza Università di Roma, mostra che le osservazioni di onde gravitazionali da parte dell’interferometro spaziale Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) – che partirà come missione Esa/Nasa nel 2037 – saranno in grado di rivelare la presenza di nuovi campi fondamentali con grande accuratezza.

Il campo gravitazionale è, secondo la Relatività generale, espressione della curvatura dello spazio-tempo creata dalla presenza di massa o energia che altera lo spazio circostante. Nuovi campi fondamentali associati alla gravità, in particolare quelli scalari, sono alla base di modelli teorici sviluppati per spiegare una grande varietà di scenari fisici. Potrebbero ad esempio fornire indizi sull’espansione accelerata dell’universo o sulla materia oscura, oppure essere manifestazioni a bassa energia di una descrizione consistente e completa della gravità e delle particelle elementari.

Le osservazioni di oggetti astrofisici caratterizzati da campi gravitazionali deboli e piccole curvature spazio-temporali non hanno mostrato finora alcuna indicazione dell’esistenza di questi campi. Tuttavia, diversi modelli suggeriscono che deviazioni dalla Relatività generale, o interazioni tra la gravità e nuovi campi, siano più rilevanti quando la curvatura dello spazio-tempo è molto grande. Per questa ragione, l’osservazione di onde gravitazionali – che ha aperto una nuova finestra sul regime di campo gravitazionale forte – rappresenta un’opportunità unica per scoprire nuovi campi fondamentali.

Lisa, il rivelatore di onde gravitazionali spaziale sviluppato per osservare onde gravitazionali da sorgenti astrofisiche, permetterà di studiare nuove famiglie di sorgenti astrofisiche, diverse da quelle osservate da Virgo e Ligo, come gli Extreme Mass Ratio Inspirals (Emri).

Rappresentazione artistica della deformazione spazio-tempo di un Emri attraverso un piccolo buco nero che ruota intorno ad un buco nero supermassiccio. Crediti: Nasa

«Gli Emri, sistemi binari in cui un oggetto compatto con massa stellare – un buco nero o una stella di neutroni – orbita attorno a un buco nero milioni di volte più massivo del nostro Sole, sono infatti tra le sorgenti che ci si aspetta di osservare con Lisa, e rappresentano un’arena preziosissima per studiare il regime di campo forte della gravità», spiega Maselli, primo autore dell’articolo. «Il corpo più piccolo di un Emri compie decine di migliaia di cicli orbitali prima di cadere nel buco nero supermassivo, emettendo così segnali di lunga durata che permettono di misurare anche le più piccole deviazioni dalle predizioni della teoria di Einstein e del modello standard delle particelle».

Gli autori dello studio hanno sviluppato uno nuovo approccio per modellizzare il segnale emesso dagli Emri, studiando per la prima volta in modo rigoroso se e come Lisa possa scoprire l’esistenza di campi scalari accoppiati all’interazione gravitazionale e misurare la carica scalare, una grandezza che quantifica il campo associato al corpo più piccolo del sistema binario.

Il nuovo approccio sviluppato è “agnostico” rispetto alla teoria che predice l’esistenza del campo scalare, poiché non dipende dall’origine della carica o dalla natura dell’oggetto compatto. L’analisi mostra anche come future misure della carica scalare potranno essere tradotte in vincoli molto stringenti sulle deviazioni della Relatività generale o del Modello standard.

Lisa opererà in orbita attorno al Sole, in una costellazione di tre satelliti distanti milioni di chilometri l’uno dall’altro, osservando onde gravitazionali emesse a bassa frequenza, in una banda non accessibile agli interferometri terrestri a causa del rumore ambientale. Lo spettro visibile di Lisa aprirà una nuova finestra sull’evoluzione degli oggetti compatti in una grande varietà di sistemi astrofisici del nostro universo.

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