La rivoluzione nella nostra comprensione del cielo notturno e del nostro posto nell'universo è iniziata quando siamo passati dall'uso dell'occhio nudo a un telescopio nel 1609. Quattro secoli dopo, gli scienziati stanno sperimentando una transizione simile nella loro conoscenza dei buchi neri cercando le onde gravitazionali.

Nella ricerca di buchi neri non rilevati in precedenza che sono miliardi di volte più massicci del sole, Stefano Taylor, assistente professore di fisica e astronomia ed ex astronomo presso il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA insieme alla collaborazione del North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) ha fatto avanzare il campo della ricerca trovando la posizione precisa:il centro di gravità del nostro sistema solare, con cui misurare le onde gravitazionali che segnalano l'esistenza di questi buchi neri.

Il potenziale presentato da questo progresso, co-autore di Taylor, è stato pubblicato sulla rivista the Giornale Astrofisico ad aprile 2020.

I buchi neri sono regioni di pura gravità formate da uno spaziotempo estremamente deformato. Trovare i buchi neri più titanici dell'Universo che si nascondono nel cuore delle galassie ci aiuterà a capire come tali galassie (compresa la nostra) sono cresciute ed evolute nei miliardi di anni dalla loro formazione. Questi buchi neri sono anche laboratori senza rivali per testare ipotesi fondamentali sulla fisica.

Le onde gravitazionali sono increspature nello spaziotempo previste dalla teoria della relatività generale di Einstein. Quando i buchi neri orbitano tra loro in coppia, irradiano onde gravitazionali che deformano lo spaziotempo, allungando e comprimendo lo spazio. Le onde gravitazionali sono state rilevate per la prima volta dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nel 2015, aprendo nuove prospettive sugli oggetti più estremi dell'universo. Mentre LIGO osserva onde gravitazionali relativamente corte cercando cambiamenti nella forma di un rivelatore lungo 4 km, NANOGrav, un Centro di Frontiere di Fisica della National Science Foundation (NSF), cerca cambiamenti nella forma della nostra intera galassia.

Taylor e il suo team sono alla ricerca di modifiche alla velocità di arrivo dei lampi regolari di onde radio dalle pulsar. Queste pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione, alcuni vanno veloci come un frullatore da cucina. Emettono anche fasci di onde radio, apparendo come fari interstellari quando questi raggi spaziano sulla Terra. Oltre 15 anni di dati hanno dimostrato che queste pulsar sono estremamente affidabili nelle loro frequenze di arrivo del polso, fungendo da eccezionali orologi galattici. Qualsiasi deviazione temporale correlata tra molte di queste pulsar potrebbe segnalare l'influenza delle onde gravitazionali che deformano la nostra galassia.

"Usando le pulsar che osserviamo attraverso la galassia della Via Lattea, cerchiamo di essere come un ragno seduto immobile nel mezzo della sua tela, " spiega Taylor. "Il modo in cui comprendiamo bene il baricentro del sistema solare è fondamentale mentre cerchiamo di percepire anche il più piccolo formicolio alla rete". Il baricentro del sistema solare, il suo baricentro, è il luogo in cui le masse di tutti i pianeti, lune, e gli asteroidi si bilanciano.

Dov'è il centro del nostro web, la posizione dell'assoluta quiete nel nostro sistema solare? Non al centro del sole come molti potrebbero pensare, piuttosto è più vicino alla superficie della stella. Ciò è dovuto alla massa di Giove e alla nostra conoscenza imperfetta della sua orbita. Giove impiega 12 anni per orbitare attorno al sole, poco meno dei 15 anni in cui NANOGrav ha raccolto dati. La sonda Galileo del JPL (dal nome del famoso scienziato che usava un telescopio per osservare le lune di Giove) ha studiato Giove tra il 1995 e il 2003, ma sperimentato malattie tecniche che hanno influito sulla qualità delle misurazioni effettuate durante la missione.

L'identificazione del centro di gravità del sistema solare è stata a lungo calcolata con i dati del tracciamento Doppler per ottenere una stima della posizione e delle traiettorie dei corpi in orbita attorno al sole. "Il problema è che gli errori nelle masse e nelle orbite si tradurranno in artefatti di temporizzazione delle pulsar che potrebbero sembrare onde gravitazionali, " spiega l'astronomo e coautore del JPL Joe Simon.

Taylor ei suoi collaboratori stavano scoprendo che lavorare con i modelli esistenti del sistema solare per analizzare i dati NANOGrav ha dato risultati incoerenti. "Non abbiamo rilevato nulla di significativo nelle nostre ricerche sulle onde gravitazionali tra i modelli del sistema solare, ma stavamo ottenendo grandi differenze sistematiche nei nostri calcoli, " osserva l'astronomo del JPL e l'autore principale dell'articolo Michele Vallisneri. "In genere, più dati forniscono un risultato più preciso, ma c'era sempre un offset nei nostri calcoli."

Il gruppo ha deciso di cercare il centro di gravità del sistema solare mentre indagava sulle onde gravitazionali. I ricercatori hanno ottenuto risposte più solide alla ricerca delle onde gravitazionali e sono stati in grado di localizzare in modo più accurato il centro di gravità del sistema solare entro 100 metri. Per capire quella scala, se il sole fosse grande quanto un campo da calcio, 100 metri sarebbero il diametro di una ciocca di capelli. "La nostra precisa osservazione delle pulsar sparse nella galassia ci ha localizzati nel cosmo meglio di quanto abbiamo mai potuto fare prima, " ha detto Taylor. "Trovando le onde gravitazionali in questo modo, oltre ad altri esperimenti, otteniamo una panoramica più olistica di tutti i diversi tipi di buchi neri nell'Universo".

Mentre NANOGrav continua a raccogliere dati di temporizzazione delle pulsar sempre più abbondanti e precisi, gli astronomi sono fiduciosi che enormi buchi neri appariranno presto e inequivocabilmente nei dati.