di Gloria Nobile
Nelle scorse settimane abbiamo dedicato un articolo al progetto “Deep Loop Shaping for Gravitational-wave Detection”, finanziato dal Ministero dell’Università e della ricerca nell’ambito del terzo bando del Fondo Italiano per la Scienza (FIS 3), il cui obiettivo è sfruttare l’intelligenza artificiale per perfezionare gli interferometri gravitazionali. Sempre nel campo della fisica, il bando FIS 3 ha premiato con 1 milione e 93mila euro anche il progetto di ricerca “Testing general relativity with multiband gravitational-wave observations”.
La domanda a cui il progetto tenta di rispondere è semplice ma ambiziosa: le onde gravitazionali possono mettere alla prova la teoria della relatività generale? Ne abbiamo parlato con Elisa Maggio, che coordinerà il progetto, e ricercatrice presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Elisa Maggio
Il titolo del progetto suggerisce che la relatività generale sarà “sotto esame”. In che modo?
L’idea è quella di testare la relatività generale utilizzando le onde gravitazionali che osserviamo oggi con il network globale LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), insieme a quelle che osserveremo con gli interferometri di futura generazione, come l’Einstein Telescope (ET) e LISA. Parliamo di osservazioni “multibanda” perché i rivelatori terrestri sono sensibili a frequenze comprese tra 1 e 1000 hertz, mentre strumenti come LISA, che opererà nello spazio e quindi non è soggetto a disturbi ambientali terrestri come il rumore sismico, permetteranno di esplorare frequenze molto più basse, intorno al millihertz.
Qual è la differenza tra questi regimi osservativi?
Osservare in bande di frequenza diverse ci consente di studiare oggetti diversi, caratterizzati da masse differenti. Con i rivelatori attuali, e in futuro con ET, osserveremo fusioni di buchi neri con masse pari a qualche centinaio di volte quella del Sole. Con LISA, invece, potremo osservare coppie di buchi neri molto più massicci, con masse tra le centinaia di migliaia e centinaia di milioni di volte quella solare, che si fondono tra loro. Una volta raccolti e analizzati i dati, la domanda a cui cercheremo di rispondere sarà: confermiamo la relatività generale?
Che cosa vi aspettate mettendo alla prova questa teoria?
Finora gli eventi osservati sono risultati coerenti con la teoria della relatività generale, che quindi continua a essere valida. Tuttavia, in un caso il segnale prodotto dall’oggetto finale della fusione di due buchi neri è apparso più smorzato di quanto previsto dalla teoria. È possibile che si tratti di false deviazioni, dovute alla presenza di rumore che si sovrappone al segnale oppure ai limiti attuali nel modellizzare i segnali di onde gravitazionali. L’obiettivo del progetto è quindi, da un lato, capire quando e perché si verificano queste discrepanze e, dall’altro, sviluppare nuove metodologie di analisi capaci di mitigare tali effetti, così da rendere i test della relatività generale più affidabili.
ET sarà molto più sensibile degli attuali rivelatori. Questo permetterà di ottenere dati più precisi?
Assolutamente sì. Se osservassimo oggi lo stesso evento della prima rivelazione di onde gravitazionali, ma con l’Einstein Telescope, il segnale sarebbe molto più “appariscente”. Questo ci consentirebbe di eseguire test di relatività generale estremamente precisi. Per esempio, ET permetterà di osservare con grande dettaglio il ringdown, ovvero la fase in cui il buco nero appena formato vibra a frequenze caratteristiche ed emette onde gravitazionali. In questo modo potremo verificare se l’oggetto finale è effettivamente un buco nero come previsto dalla teoria, oppure se emergono piccole deviazioni dalla relatività generale.
Per Einstein, l’esistenza delle onde gravitazionali è la conseguenza diretta della teoria della relatività generale. Che cosa accadrebbe se emergessero anomalie?
Indagando, ne potremmo trovare molte. In particolare, la mia ricerca si concentra sulla natura dei buchi neri, con l’obiettivo di capire se sono davvero come li descrive la teoria: se possiedono un orizzonte oltre il quale nulla può sfuggire e se presentano una singolarità al centro. L’obiettivo è che in futuro si possa risalire alla struttura dei buchi neri o delle stelle di neutroni, per capire meglio questi oggetti compatti e se si comportano come previsto.
Quali saranno le prime attività del progetto?
I primi risultati arriveranno dall’analisi dei dati della rete LVK già disponibili. Studieremo la presenza di false deviazioni nei prossimi run osservativi, analizzando sia quando i due oggetti spiraleggiano l’uno intorno all’altro, sia durante il ringdown dell’oggetto finale. Successivamente combineremo queste informazioni con quelle attese dalle osservazioni multibanda di LISA ed Einstein Telescope, simulando segnali e rumore sulla base delle conoscenze attuali. Lo scopo è di sviluppare strategie per mitigare false deviazioni da relatività generale e porre vincoli sulle proprietà degli oggetti compatti e teorie modificate di gravità.
Crediti immagine: Carl Knox, OzGrav, Swinburne University of Technology.