Le onde gravitazionali sono diventate un argomento di grande interesse per la comunità scientifica, soprattutto dopo la loro recente conferma sperimentale attraverso le grandi antenne lineari Ligo e Virgo. Questa scoperta ha aperto nuove frontiere nella ricerca e nella caratterizzazione fisica delle sorgenti di onde gravitazionali, contribuendo in modo significativo all’astrofisica multi-messaggera. Attualmente, nuovi esperimenti terrestri si stanno unendo agli sforzi di rivelazione e la missione Lisa, specializzata per lo spazio, implementerà modalità simili. L’obiettivo principale di queste imprese, insieme a progetti futuri come l’Einstein Telescope, è la completa caratterizzazione delle onde gravitazionali, ovvero la determinazione in ampiezza e frequenza della deformazione spazio-temporale associata, nonché l’individuazione della direzione delle possibili sorgenti. Questo permetterà di scoprire la natura fisica delle sorgenti attraverso campagne osservative multi-lunghezza d’onda e multi-messaggere, e di approfondire la conoscenza dell’astrofisica di oggetti compatti e del loro ruolo nella cosmologia.
Un nuovo approccio sperimentale
Un recente articolo pubblicato su Scientific Reports, guidato dall’Inaf e dalla ricercatrice Mariateresa Crosta, propone un approccio rivoluzionario nel settore delle onde gravitazionali: utilizzare le stelle come rivelatori di queste onde. Questo metodo, alternativo alle altre tecniche, si basa sull’utilizzo di configurazioni ottiche a più linee di vista “convogliate” su un piano focale comune. Il rilevamento astrometrico di onde gravitazionali consentirebbe di misurare contemporaneamente all’ampiezza, e con un’accuratezza senza precedenti, anche la direzione di arrivo dei segnali gravitazionali. Questa informazione è fondamentale per le campagne di caratterizzazione fisica multi-frequenza e multi-messaggere e rappresenterebbe uno strumento ad altissima efficienza, permettendo una verifica indipendente e complementare delle altre tecniche e di rilevare onde gravitazionali a frequenze per le quali non sono attualmente previsti altri rivelatori.
L’antenna astrometrica
L’idea dell’antenna astrometrica nasce dall’intuizione derivata dai modelli di relatività generale per le misure astrometriche al micro-arcosecondo del satellite Gaia. La sua originalità sta nella sua impostazione tutta differenziale, utilizzando direttamente l’angolo tra una coppia stretta di due sorgenti puntiformi otticamente risolte. La perturbazione angolare indotta da un’onda gravitazionale risulta direttamente proporzionale alla distorsione spaziotemporale associata e inversamente proporzionale all’angolo tra la coppia di stelle. Aumentando la risoluzione del telescopio, si risolvono separazioni sempre più strette, amplificando l’effetto dell’onda gravitazionale su un braccio angolare.
Il potenziale dell’antenna astrometrica
Il principio dell’antenna astrometrica ricorda quello del Pulsar Timing Array (Pta), che ha permesso di rivelare un brusio di fondo dovuto a onde gravitazionali a bassissima frequenza. Mentre il Pta misura i residui degli intervalli di tempo di arrivo del segnale nella rete di pulsar, l’antenna astrometrica misura la parte spaziale del segnale. Il vantaggio della formulazione differenziale consente di riscrivere una funzione di correlazione e di costruire una “rete” tra i vari punti del cielo, simile a quella del Pta. Attualmente, si sta valutando l’utilizzo delle misure astrometriche di Gaia per confrontarsi e complementarsi con il Pta e rilevare coincidenze per onde gravitazionali con periodi di anni.
La sfida tecnologica
Nonostante l’idea promettente, al momento non esiste un telescopio capace di misurare variazioni angolari originate da onde gravitazionali prodotte da oggetti compatti in fase di coalescenza alle distanze extragalattiche. Tuttavia, una prima simulazione nel caso di buchi neri stellari massicci binari indica che la variazione angolare indotta dall’onda gravitazionale potrebbe essere oltre la soglia delle decine di milionesimi di arcosecondo fino a distanze di cinquemila parsec dal Sole. Una facility come il Very Large Telescope Interferometer (Vlti) dell’Eso ha già una risoluzione angolare dell’ordine del millesimo di arcosecondo, e si sta valutando di testare il principio dell’antenna astrometrica gravitazionale.
Il futuro delle onde gravitazionali
L’idea dell’antenna astrometrica promette di essere un punto di svolta nella scienza delle onde gravitazionali, che è appena agli inizi e resterà alla frontiera della ricerca scientifica per molti decenni. La possibilità di misurare con precisione la direzione di arrivo dei segnali gravitazionali apre nuove prospettive per la comprensione dell’universo e per la ricerca di nuove sorgenti di onde gravitazionali. Con il progresso tecnologico e l’evoluzione dei telescopi, si potranno raggiungere risultati sempre più accurati e dettagliati, contribuendo in modo significativo all’avanzamento della conoscenza umana.
