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    Dieci anni prima della rivelazione delle onde gravitazionali, due postdoc KITP all'UC Santa Barbara hanno avuto un'idea nuova

    Due stelle di neutroni si scontrano, invio di onde gravitazionali e radiazioni elettromagnetiche rilevate sulla Terra nel 2017. Credito: FERMILAB

    La storia della scienza è piena di storie di ricercatori entusiasti che hanno lentamente conquistato colleghi scettici al loro punto di vista. L'astrofisico Scott Hughes può riferirsi a questi racconti.

    "Per i primi 15 o 16 anni della mia carriera ho parlato con gli astronomi, e ho sempre avuto l'impressione che fossero educatamente interessati a quello che avevo da dire, ma mi considerava un po' un entusiasta appassionato che stava raccontando loro di un branco di unicorni che io e i miei amici stavamo allevando, " ha detto Hughes.

    "Ora, " Lui continuò, "ci sono persone che stanno andando, 'Ooh, tutti quegli unicorni che hai trovato, posso usarli per risolvere il mio problema? I tuoi unicorni hanno le ali? Sono luccicanti?'"

    Questi unicorni sono onde gravitazionali, un'area della fisica in cui Hughes è specializzato. Mentre lavorava come ricercatore post-dottorato presso il Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) dell'UC Santa Barbara, Hughes e il suo collega, Daniel Holz, sono stati tra i primi a proporre di utilizzare i fenomeni, in combinazione con osservazioni al telescopio, per misurare la costante di Hubble, una quantità fondamentale coinvolta nella descrizione dell'espansione dell'universo.

    Mentre l'universo si espande, porta via da noi gli oggetti celesti. Questo allunga la lunghezza d'onda della luce che rileviamo da questi oggetti, facendolo diminuire di frequenza proprio come una sirena su un'ambulanza di passaggio. Più velocemente l'oggetto si allontana, più la sua luce si sposterà verso l'estremità rossa dello spettro. La costante di Hubble mette in relazione la distanza di un oggetto dalla Terra a questo redshift, e quindi la velocità dell'oggetto mentre viene portato via.

    Uno dei migliori strumenti di un astronomo per calcolare questo è una candela standard, qualsiasi classe di oggetti che hanno sempre lo stesso, luminosità standard. Se gli scienziati conoscono la luminosità di un oggetto, possono determinarne la distanza misurando quanto ci appare fioco sulla Terra.

    Per decenni gli scienziati hanno cercato di ottenere misurazioni accurate della costante di Hubble per indagare sul motivo per cui l'universo si sta espandendo, e, infatti, accelerando. Questo alla fine si risolve nel misurare i redshift degli oggetti e abbinarli a misurazioni indipendenti delle distanze degli oggetti da noi. Però, queste due misurazioni più accurate che attualmente gli scienziati hanno per la costante di Hubble non sono d'accordo, una fonte infinita di frustrazione per i cosmologi.

    Una proposta

    Questo era il panorama cosmologico dei primi anni 2000, quando Holz e Hughes ricoprivano incarichi come ricercatori post-dottorato presso il KITP. "Scott aveva pensato alle onde gravitazionali per un po', " disse Holz. "Era l'esperto, ed ero molto più concentrato sulle questioni cosmologiche." Ma l'entusiasmo di Hughes suscitò presto la curiosità di Holz, ei due cominciarono a parlare di cosmologia delle onde gravitazionali in ufficio e durante le passeggiate lungo le scogliere di Santa Barbara.

    Holz e Hughes attribuiscono la loro stretta collaborazione alla costruzione della nuova ala di Kohn Hall nel 2001. Inizialmente, tutti i postdoc di KITP avevano i propri uffici, ha spiegato Hughes, ma la costruzione li ha costretti a raddoppiare. "Improvvisamente passavamo molto più tempo insieme."

    Un programma KITP del 2002 sui dati cosmologici ha alimentato le fiamme del loro interesse per l'argomento. Quando Hughes se ne andò per unirsi alla facoltà del MIT, avevano finito la prima bozza del loro articolo spiegando in dettaglio come calcolare la costante di Hubble con le onde gravitazionali. Dopo due anni di gestazione hanno finalmente pubblicato lo studio su The Giornale Astrofisico .

    Tre rilevatori di onde gravitazionali (giallo) e circa 70 osservatori di luce terrestri e spaziali (blu) hanno puntato tutti gli occhi sulle stelle di neutroni che si fondono. Attestazione:LIGO

    "Mi sono divertito molto a scrivere quel documento con Scott, " ha detto Holz. "Ho imparato una quantità incredibile. Tanto che ero convinto che le onde gravitazionali fossero il futuro, e che dovrei essere coinvolto".

    L'idea di utilizzare sorgenti di onde gravitazionali per misurare la costante di Hubble non era nuova. Il concetto è stato proposto per la prima volta in un articolo visionario nel 1986 da Bernard Schutz. E una serie di altre nozioni riguardanti le onde gravitazionali fluttuavano anche nella letteratura nei primi anni 2000. Ma ciò che hanno fatto Holz e Hughes è stato sintetizzare tutte queste idee e sottolineare la fattibilità di combinare i dati delle onde gravitazionali con le osservazioni successive utilizzando la luce.

    Lo studio è stato anche il primo ad utilizzare il termine "sirena standard". Hughes ha ricordato di aver discusso del documento con l'astrofisico del Caltech Sterl Phinney, che ha osservato, "Hmm. Un po' come una candela standard, ma lo senti. Dovresti chiamarla una sirena standard." Holz indipendentemente ha avuto una conversazione quasi identica con il fisico Sean Carroll, lui stesso un ex postdoc del KITP. Holz e Hughes hanno incluso il termine nel loro articolo, e si è bloccato. Da allora la frase è diventata onnipresente in cosmologia.

    "Il termine 'sirena standard' potrebbe essere il nostro contributo più duraturo, Scotto, " osservò Holz. "Lo prendo, " rideva Hughes.

    L'uso delle onde gravitazionali per misurare la costante di Hubble presenta molti vantaggi rispetto ad altri metodi. Alcune supernove forniscono candele standard decenti, "ma, come una candela standard, le supernove non sono molto ben comprese, " ha detto Holz. "La cosa principale che rende interessanti le sirene standard è che sono capite dai primi principi, direttamente dalla teoria della relatività generale."

    Quando si utilizzano candele standard, gli scienziati devono calibrare le distanze di alcune classi di oggetti utilizzando le informazioni di altre, scavalcando efficacemente la loro strada verso una corretta misurazione della distanza. Gli astronomi chiamano questo metodo una "scala delle distanze, " e errori e incertezze possono insinuarsi in molti punti dei calcoli.

    In contrasto, le onde gravitazionali possono fornire una misurazione diretta della distanza di un oggetto. "Basta scrivere le equazioni e risolverle, e poi hai finito, " ha detto Holz. "Abbiamo testato la relatività generale per cento anni; funziona veramente, e dice "ecco quanto è lontana quella fonte". Non c'è una scala di distanza, non c'è niente di tutto ciò che giocherella in giro."

    Tutti i primi articoli sulla misurazione della costante di Hubble usando le onde gravitazionali erano in qualche modo speculativi, secondo Holz. Erano proposte per il lontano futuro. "Non avevamo ancora rilevato le onde gravitazionali, molto meno onde da due stelle di neutroni, molto meno con una controparte ottica, " ha detto. Ma l'interesse e l'entusiasmo per la tecnica stavano crescendo.

    Hughes ricorda i colleghi che sono andati da lui dopo i suoi discorsi e gli hanno chiesto della probabilità di osservare una sirena standard nel prossimo decennio. non lo sapeva, ma ha detto che con una migliore comprensione della controparte ottica, potrebbero probabilmente localizzare un evento entro 10-20 gradi quadrati. "E penso che se ce l'hai, ogni grande pezzo di vetro sulla Terra fisserà quel punto nel cielo, " aveva detto Hughes. "E, alla fine, è esattamente quello che è successo".

    E poi è successo

    Il 17 agosto 2017, meno di due anni dopo aver rilevato le prime onde gravitazionali, gli osservatori LIGO e Virgo hanno registrato un segnale dalla fusione di stelle di neutroni. Grazie ad un sistema di allerta, che Holz ha contribuito a stabilire, ne è seguita una raffica di attività, poiché quasi tutti i principali osservatori terrestri e spaziali hanno puntato gli occhi sull'evento. Gli scienziati hanno raccolto dati sulla fusione in ogni regione dello spettro elettromagnetico.

    Ottenere misurazioni accurate della distanza richiede la creazione di una scala della distanza utilizzando una serie di tecniche diverse per vari intervalli. Attestazione:MATT PERKO

    "È davvero una di quelle cose in cui, se fosse successo prima che andassi in pensione, sarei stato felice, " ha detto Hughes. "Ma in realtà è successo prima che compissi 50 anni".

    Ad un tratto, La cosmologia delle onde gravitazionali era un campo reale, e le sirene standard erano un'altra parte del kit di strumenti. "Ma che qualcosa diventi parte del toolkit così rapidamente? È straordinariamente insolito, " disse Holz.

    Si scopre che i cosmologi hanno bisogno di un altro strumento, perché attualmente hanno due valori diversi per la costante di Hubble. I metodi che utilizzano il fondo cosmico a microonde, la debole luce rimasta dal big bang, producono un valore di circa 68. Nel frattempo, i calcoli che utilizzano le supernove di tipo Ia, una varietà di candele standard, producono un po' più di 73.

    Sebbene appaiano vicini, i due valori in realtà differiscono di tre deviazioni standard, ed entrambi hanno barre di errore abbastanza strette. Il disaccordo preoccupa sempre più i cosmologi poiché le barre di errore su questi due valori si restringono. Potrebbe segnalare un problema fondamentale nella nostra comprensione dell'universo, ed è oggetto di una conferenza KITP questo luglio.

    Ci sono alcune differenze intrinseche tra le due tecniche, anche se. Il fondo cosmico a microonde riflette le condizioni dell'universo primordiale, mentre le supernovae dipingono un quadro dell'universo attuale. "C'è la possibilità che sia successo qualcosa di molto strano e inaspettato tra i primi e gli ultimi giorni dell'universo, ed è per questo che questi valori non sono d'accordo, " ha detto Holz. Ma i cosmologi semplicemente non lo sanno per certo.

    Ottenere un altro, valore indipendente per la costante di Hubble aiuterà a chiarire questo enigma. "Perché è così pulito e così diretto, quella misurazione sarà un numero molto convincente, " ha spiegato Holz. "Perlomeno, informerà questa discussione, se non solo risolverlo completamente."

    Holz e i suoi colleghi, Hsin-Yu Chen e Maya Fishbach, hanno appena pubblicato un articolo sulla rivista Nature, scoprendo che da 20 a 30 osservazioni consentirebbero agli scienziati di calcolare la costante di Hubble con una precisione del 2%, abbastanza stretto per iniziare a confrontarlo con i due valori del fondo cosmico a microonde e delle supernove.

    Quest'estate, Holz sta co-organizzando un programma KITP sulla nuova era della fisica e dell'astrofisica delle onde gravitazionali, e il nuovo campo della cosmologia delle sirene standard sarà un importante argomento di discussione. Infatti, Holz ha anche aiutato a organizzare il programma di risposta rapida KITP che ha riunito i ricercatori poco dopo il primo rilevamento di onde gravitazionali da parte di LIGO.

    Holz e Hughes attribuiscono il loro successo alle loro esperienze in KITP. "Mentre lavoravamo insieme al KITP, noi due ci siamo entusiasmati nel misurare la costante di Hubble usando le onde gravitazionali, " ha detto Holz. "E questo è esattamente ciò di cui si occupa il KITP:riunire persone diverse con background diversi, mescolando la pentola e vedendo cosa succede."

    Negli ultimi dieci anni la carriera di Holz si è concentrata sulla cosmologia delle sirene standard. "E la cosa incredibile è che l'abbiamo fatto davvero, " ha detto. "Ho aiutato a scrivere il documento che ha fatto la prima misurazione standard della sirena in assoluto. Questo era esattamente ciò che io e Scott avevamo ipotizzato anni prima".

    "Se entrambi non fossimo stati al KITP, non passerei una buona parte della mia vita in teleconferenze LIGO in questo momento, ", ha detto Holz. "Ma non vorrei che fosse diversamente."


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