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SKA radiotelescope per rivelare onde gravitazionali

Non solo LIGO e gli altri interferometri saranno in grado di rivelare le onde gravitazionali.

Nel 2018 inizierà la costruzione del  radiotelescopio Square Kilometre Array (SKA),  il radiotelescopio più sensibile al mondo, che potrebbe rivelare onde gravitazionali da sistemi binari di buchi neri supermassicci in base ad uno studio pubblicato di recente sulla rivista  American Physical Society Physical Review Letters .

I ricercatori, Yan Wang dalla Huazhong Università della Scienza e della Tecnologia in Cina e Soumya Mohanty della  University of Texas Valle del Rio Grande, sono giunti a questa conclusione sulla base di un’analisi dei dati simulati da millisecond-pulsar che SKA e telescopi simili sarebbero in grado di rilevare. Le pulsar sono stelle di neutroni che hanno tassi di rotazione stabili ed emettono fasci di luce a intervalli molto regolari.

“Quando siamo in linea di vista del fascio, i nostri radiotelescopi raccolgono l’emissione. Molto simile all’osservazione di un faro rotante, vediamo impulsi di onde radio quando il fascio passa attraverso i nostri telescopi,”spiegano i ricercatori.

Lo SKA è un progetto internazionale di rilevamento di onde radio mediante un radiotelescopio in costruzione in Australia ed in Sud Africa per sondare lo spazio profondo. Esso avrà un’apertura totale di un chilometro quadrato, opererà su un ampio spettro di frequenze e le sue dimensioni lo renderanno 50 volte più sensibile di un qualsiasi altro radiotelescopio. Richiederà una centrale elaborativa ad altissime prestazioni e collegamenti a lungo raggio con una capacità maggiore di tutto il traffico internet globale. Il radiotelescopio sarà capace di analizzare il cielo con una velocità diecimila volte superiore a quanto sia mai stato fatto prima. Grazie a stazioni riceventi che si estendono per una distanza di almeno 3000 km dal nucleo centrale, metterà alla prova la capacità dei radioastronomi fornendo le immagini a maggior risoluzione di tutta la storia dell’astronomia. Lo SKA sarà costruito sia nell’emisfero australe, sia in stati sub-Sahariani, con due centri principali in Sud Africa e in Australia, dove la vista della Via Lattea è la migliore e dove sono minori le interferenze radio.

Data la popolazione di pulsar conosciuta, telescopi come SKA  rivelerebbero circa 6000 pulsar che emettono onde radio a intervalli di millisecondi. Poiché le loro emissioni sono così regolari, millisecond-pulsar sono come orologi estremamente precisi. Quasi tutte le galassie, compresa la nostra, hanno buchi neri supermassicci al centro. Quando due galassie si fondono, i buchi neri si avvicinano strettamente formando un sistema binario che emette onde gravitazionali nel processo. I ricercatori dicono che il rilevamento di questi segnali di onde gravitazionali fornirebbero importanti indizi su come si sono formate le galassie e quanto spesso si fondono.
Le onde gravitazionali da sistemi binari di buchi neri supermassicci dovrebbero provocare lievi modifiche nel tempo di arrivo delle emissioni radio di pulsar sulla Terra. Un metodo per rilevare onde gravitazionali, pertanto, è quello di cercare interruzioni nel tempo di arrivo delle onde radio da millisecond-pulsar. Al fine di rilevare un’onda gravitazionale con qualsiasi grado di certezza però, è necessario vedere cambiamenti correlati nei tempi di arrivo di emissione per molte pulsar differenti. Questa tecnica è chiamata ‘ matrice temporizzazione pulsar’ (pulsar timing array).
Matrici di temporizzazione pulsar esistono già, ma la maggior parte includono solo poche decine pulsar. I ricercatori stimano che SKA dovrebbe essere in grado di rilevare migliaia di millisecond-pulsar, data la  sua grande area di raccolta (un chilometro quadrato) e l’ottimo sistema di elaborazione dei dati. Ciò consentirebbe di temporizzare le matrici con centinaia di pulsar, rendendo il tutto molto più sensibile alle onde gravitazionali.

In questa nuova ricerca, Wang e Mohanty hanno creato una simulazione realistica del tipo di matrice temporizzata che verrebbe prodotta dai telescopi SKA della nuova generazione. Poiché un array con centinaia di pulsar presenterà gravi problemi di elaborazione dati, i ricercatori hanno studiato e realizzato un approccio matematico di ordinamento attraverso i dati per identificare il segnale di un sistema binario di buchi neri supermassici. Inoltre, hanno analizzato la precisione con cui un sistema del genere potrebbe indicare la posizione di tali sistemi di binari  nel cielo.

I risultati della squadra indicano che questo tipo di matrice temporizzazione pulsar potrebbe tranquillamente rilevare segnali di onde gravitazionali da una vasta gamma di sistemi binari di buchi neri supermassicci. Inoltre, sembra che questa tecnica possa anche essere in grado di localizzare le fonti di queste onde gravitazionali nel cielo con precisione sufficiente per cui i ricercatori potrebbero attivare telescopi ottici su quella porzione di cielo e forse identificare una coppia di galassie in  fusione.

Gli astronomi hanno identificato attualmente centinaia di oggetti che possono contenere sistemi binari di buchi neri supermassicci. Tuttavia, l’unico modo per saperlo è  quello di rilevare le onde gravitazionali provenienti da tali oggetti, e siccome i risultati di questa ricerca indica che una matrice temporizzata di pulsar potrebbe essere in grado di farlo, ciò sarà confermato solo quando i radiotelescopi di nuova generazione saranno in linea.

Pulsar Timing Array Based Search for Supermassive Black Hole Binaries in the Square Kilometer Array Era Yan Wang and Soumya D. Mohanty Phys. Rev. Lett. 118, 151104 – Published 12 April 2017

 

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare

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