La National Science Foundation ha assegnato 14.5 milioni dollari, ripartiti in 5 anni, al North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) affinché venga creato e reso operativo un Centro per le Frontiere della Fisica (Physics Frontiers Center, PFC).
Il PFC gestito dal NANOGrav affronterà una sfida estremamente impegnativa per l’astrofisica: la rivelazione delle onde gravitazionali a bassa frequenza. Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo che secondo la teoria dovrebbero avere origine da eventi cosmici estremamente energetici e su larga scala, come ad esempio coppie di buchi neri che orbitano uno attorno all’altro in coalescenza al centro di galassie, eventi transitori che hanno avuto luogo nelle prime fasi di vita dell’Universo, oppure remote tracce dell’inflazione cosmica, la fase che ha avuto luogo subito dopo il Big Bang, quando l’Universo ha subito una grande espansione durata una piccola frazione di secondo a partire da un volume molto piccolo.
Una rete di pulsar utilizzate per la ricerca di onde gravitazionali, le increspature dello spazio-tempo previste dalla Relatività Generale. Queste onde provocano ritardi nei tempi di arrivo dei segnali radio che provengono dalle pulsar. Questi ritardi sono misurabili da Terra con osservazioni di timing radio estremamente sensibili. Crediti: David Champion
Secondo la teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, tutti questi eventi producono onde che distorcono e increspano il tessuto cosmico mentre si propagano nello spazio. Queste onde a bassa frequenza hanno una lunghezza d’onda significativamente più grande del nostro Sistema solare, e quindi non siamo in grado di costruire un rivelatore abbastanza grande per osservarle. Fortunatamente l’Universo si è creato un proprio strumento di rivelazione: le pulsar al millisecondo, ovvero i resti superdensi di stelle massicce, esplose nel passato come supernovae e ora in rapida rotazione su loro stesse. Queste stelle sono gli orologi celesti più precisi che possano esistere, e mostrano il proprio “ticchettio” grazie ad un’emissione collimata e fuori asse rispetto alla loro rotazione, con la quale colpiscono la Terra come farebbe il fascio ritmico di un faro. Le onde gravitazionali emesse da queste sorgenti possono essere rilevate nelle piccole ma percettibili fluttuazioni che provocano nei tempi di arrivo dei loro impulsi radio. Si parla di poche decine di nanosecondi su tempi scala di cinque o più anni.
NANOGrav è stata fondata nel 2007 ed era inizialmente composta da 17 membri, distribuiti tra Stati Uniti e Canada. Da allora è cresciuta, e ora accoglie 55 membri, tra ricercatori e studenti, appartenenti a 15 diverse istituzioni. Il NANOGrav PFC fornirà finanziamenti per 23 posizioni da dirigenti, 6 ricercatori post-doc, 10 studenti laureati, e 25 studenti universitari distribuiti in 11 istituti.
Xavier Siemens, fisico dell’Università del Wisconsin-Milwaukee, è il principal investigator del progetto e sarà il direttore del centro. Maura McLaughlin, astronoma della West Virginia University, sarà la co-direttrice.
La National Science Foundation supporta attualmente altri nove PFC, che spaziano in settori di ricerca dalla fisica biologica – la fisica delle cellule viventi – all’informatica quantistica e all’astrofisica nucleare. Mettendo insieme astronomi e fisici da tutti gli Stati Uniti e il Canada per cercare il segnale rivelatore delle onde gravitazionali nascosto nel ticchettio incredibilmente costante delle pulsar lontane, NANOGrav porta avanti la missione PFC per “promuovere la ricerca nelle frontiere intellettuali della fisica” e per “consentire i progressi di trasformazione nelle aree di ricerca più promettenti”.
«Affinché gli astronomi che studiano le pulsar siano in grado di rilevare queste onde gravitazionali abbiamo bisogno dei radiotelescopi più sensibili al mondo», ha dichiarato Scott Ransom, astronomo presso il National Radio Astronomy Observatory (NRAO), nonché uno dei membri fondatori di NANOGrav. «Negli Stati Uniti, abbiamo due tra i migliori: il Green Bank Telescope in West Virginia, con la sua meravigliosa copertura del cielo e l’Osservatorio di Arecibo a Porto Rico, con la sua sensibilità senza pari. Questi strumenti ci hanno dato un vantaggio enorme in questo campo di ricerca».
IL Robert C. Byrd Green Bank Telescope della National Science Foundation, che si unirà al team NANOGrav per la caccia alle onde gravitazionali. Crediti: NRAO/AUI/NSF
«NANOGrav è pronta a rilevare le onde gravitazionali a bassa frequenza», ha detto Siemens. «Questo centro assicurerà che i ricercatori abbiano le risorse necessarie per poter esplorare una delle frontiere più interessanti in tutta la fisica e l’astronomia».
Questa ricerca si avvale delle capacità uniche e sensibilità dell’Osservatorio di Arecibo a Puerto Rico e di Green Bank Telescope (GBT). Il GBT si trova nella National Radio Quiet Zone, che protegge l’incredibile sensibilità del telescopio da interferenze radio indesiderate, consentendogli di studiare nel dettaglio le pulsar e molti altri oggetti astronomici. Arecibo è il più grande radiotelescopio a singola apertura che abbiamo al mondo.
«NANOGrav ha la fortuna di avere accesso ai due telescopi più sensibili al mondo per questa ricerca di punta», ha dichiarato McLaughlin. «Inoltre, dal momento che molte delle nostre osservazioni sono effettuate dagli studenti, i telescopi svolgono un ruolo fondamentale nella creazione di solide fondamenta in campi scientifici e tecnologici».