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Alla ricerca di onde gravitazionali

Gli scienziati finanziati dall’UE hanno prodotto una serie di forme d’onda generate numericamente che avranno un impatto non solo sulla ricerca delle onde gravitazionali, ma anche sullo studio della fusione dei buchi neri binari.
Alla ricerca di onde gravitazionali
Le onde gravitazionali sono increspature spaziotemporali create dagli oggetti astronomici, simili alle onde di superficie generate da una pietra gettata nell’acqua. Benché la teoria di Einstein della relatività generale preveda l’esistenza di tali onde inusuali, esse non sono ancora state rilevate direttamente.

Tuttavia, la capacità di “vedere” le onde gravitazionali generate dalla fusione dei buchi neri può aprire nuove prospettive sugli eventi più energetici dell’universo. Quando si uniscono le galassie, i buchi neri supermassicci, che si pensa stiano al loro centro, si incontrano inevitabilmente. Inizialmente questi ballano insieme, successivamente avviene un abbraccio disperato prima della loro fusione.

Le previsioni della relatività generale suggeriscono che verso la fine della loro danza, i buchi neri emettono onde gravitazionali. Gli scienziati che lavorano al progetto CBHEO (Connecting numerical simulations of black holes with experiment and observations), finanziato dall’UE, hanno generato forme d’onda “modello” che dovrebbero corrispondere a tali segnali astrofisici.

La comunità scientifica si aspetta che le forme d’onda osservate includano i segnali provenienti dai due buchi neri che si congiungono a spirale, così come dalla loro fusione e dalla risultante fase di ringdown. I modelli di ricerca generati nell’ambito del progetto CBHEO, utilizzando relatività numerica e tecniche post-newtoniane, comprendono tutte queste caratteristiche.

In particolare, la porzione inspiral della forma d’onda è stata modellizzata usando calcoli analitici post-newtoniani. D’altra parte, è stato necessario l’impiego di soluzioni numeriche alle equazioni di campo della relatività generale al fine di modellizzare con precisione le orbite finali e la fusione dei buchi neri.

Tali forme d’onda teoricamente previste sono state aggiunte ai dati ricalcolati in merito alle previsioni delle curve di sensibilità per l’interferometro laser Virgo e l’osservatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). I dati ottenuti sono stati analizzati tramite algoritmi di rilevamento delle onde gravitazionali.

Gli sforzi erano parte del progetto NINJA (Numerical Injection Analysis), il cui obiettivo è di studiare la possibilità di rilevare le onde gravitazionali prodotte dai buchi neri che si uniscono. Gli scienziati CBHEO hanno inoltre esteso l’infrastruttura numerica per modellizzare le collisioni spaziotemporali di più di quattro dimensioni.

Le equazioni di Einstein nelle dimensioni superiori erano applicate a collisioni tra partoni modellizzate prodotte dalla fusione di buchi neri. Tale studio è stato motivato dalla possibilità di formare buchi neri durante gli esperimenti di collisione delle particelle, come predetto da nuove teorie della gravità.

La relatività numerica nella dimensione spaziotemporale superiore ha offerto uno strumento potente per produrre informazioni sull’importanza degli scenari gravitazionali in cui le collisioni tra particelle potrebbero produrre buchi neri. I principali risultati delle simulazioni riguardano la quantità di energia e il momento angolare persi nelle onde gravitazionali.

Grazie ai risultati del progetto CBHEO, gli scienziati sperano di identificare nei dati raccolti dagli osservatori LIGO e Virgo le firme delle onde gravitazionali emesse dai buchi neri provenienti dall’universo vicino. Le informazioni sulle onde gravitazionali potrebbero rivelarsi un potente strumento per svelare i segreti dei buchi neri che altrimenti sono difficili da osservare.

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Keywords

Onde gravitazionali, forme d’onda, buchi neri, CHBEO, relatività numerica, LIGO