Gli scienziati hanno rilevato la prima onda gravitazionale prevista da tempo nel 2015 e da allora i ricercatori sono alla ricerca di rilevatori migliori. Ma la Terra è calda e sismicamente rumorosa, e questo limiterà sempre l'efficacia dei rilevatori terrestri.
La Luna è il posto giusto per un nuovo osservatorio delle onde gravitazionali? Può essere. L'invio di telescopi nello spazio ha funzionato bene, e anche il montaggio di un osservatorio GW sulla Luna potrebbe funzionare, anche se la proposta è ovviamente molto complessa.
Gran parte dell’astronomia riguarda la luce. Quanto meglio riusciamo a percepirlo, tanto più impariamo a conoscere la natura. Ecco perché telescopi come Hubble e JWST sono nello spazio. L'atmosfera terrestre distorce le immagini del telescopio e blocca anche parte della luce, come gli infrarossi. I telescopi spaziali risolvono entrambi questi problemi e hanno rivoluzionato l'astronomia.
Le onde gravitazionali non sono leggere, ma rilevarle richiede comunque un'estrema sensibilità. Proprio come l’atmosfera terrestre può introdurre “rumore” nelle osservazioni del telescopio, così l’attività sismica della Terra può causare problemi ai rilevatori di onde gravitazionali. La Luna ha un grande vantaggio rispetto al nostro pianeta dinamico e in continua evoluzione:ha un'attività sismica molto inferiore.
Sappiamo fin dai tempi delle missioni Apollo che la Luna ha attività sismica. Ma a differenza della Terra, la maggior parte della sua attività è legata alle forze di marea e all’impatto di minuscoli meteoriti. La maggior parte della sua attività sismica è anche più debole e molto più profonda di quella terrestre. Ciò ha attirato l'attenzione dei ricercatori che sviluppano l'antenna lunare per le onde gravitazionali (LGWA).
Gli sviluppatori dell'LGWA hanno scritto un nuovo articolo, "The Lunar Gravitational-wave Antenna:Mission Studies and Science Case", e lo hanno pubblicato su arXiv server di prestampa. L'autore principale è Parameswaran Ajith, fisico/astrofisico del Centro internazionale per le scienze teoriche, Tata Institute of Fundamental Research, Bangalore, India. Ajith è anche membro della collaborazione scientifica LIGO.
Un osservatorio di onde gravitazionali (GWO) sulla Luna colmerebbe una lacuna nella copertura delle frequenze.
"Date le dimensioni della Luna e il rumore previsto prodotto dal fondo sismico lunare, l'LGWA sarebbe in grado di osservare GW da circa 1 mHz a 1 Hz", scrivono gli autori. "Ciò renderebbe l'LGWA l'anello mancante tra i rilevatori spaziali come LISA con sensibilità di picco intorno a pochi millihertz e i futuri rilevatori terrestri proposti come Einstein Telescope o Cosmic Explorer."
Se costruito, l’LGWA consisterebbe in una serie di rilevatori su scala planetaria. Le condizioni uniche della Luna consentiranno all'LGWA di aprire una finestra più ampia nella scienza delle onde gravitazionali. La luna ha un'attività sismica di fondo estremamente bassa che gli autori descrivono come "silenzio sismico". La mancanza di rumore di fondo consentirà rilevamenti più sensibili.
La Luna ha anche temperature estremamente basse all’interno delle sue regioni permanentemente in ombra (PSR). I rilevatori devono essere super-raffreddati e le temperature fredde nelle PSR rendono questo compito più semplice. L'LGWA consisterebbe di quattro rilevatori in un cratere PSR in uno dei poli lunari.
L’LGWA è un’idea ambiziosa con un profitto scientifico potenzialmente rivoluzionario. Se combinato con telescopi che osservano tutto lo spettro elettromagnetico e con rilevatori di neutrini e raggi cosmici, la cosiddetta astronomia multi-messaggero, potrebbe far progredire la nostra comprensione di tutta una serie di eventi cosmici.
L'LGWA avrà alcune capacità uniche per rilevare esplosioni cosmiche. "Solo LGWA può osservare eventi astrofisici che coinvolgono WD (nane bianche) come eventi di disgregazione mareale (TDE) e SNe Ia", spiegano gli autori. Sottolineano inoltre che solo l'LGWA sarà in grado di avvisare gli astronomi con settimane o addirittura mesi di anticipo della fusione di sistemi binari compatti di massa solare, comprese le stelle di neutroni.
L’LGWA sarà anche in grado di rilevare i buchi neri di massa intermedia (IMBH) più leggeri nell’universo primordiale. Gli IMBH hanno avuto un ruolo nella formazione degli attuali buchi neri supermassicci (SMBH) nel cuore di galassie come la nostra. Gli astrofisici hanno molte domande senza risposta sui buchi neri e su come si sono evoluti e la LGWA dovrebbe aiutare a rispondere ad alcune di esse.
Le fusioni di doppie nane bianche (DWD) al di fuori della nostra galassia sono un'altra cosa che solo la LGWA sarà in grado di percepire. Possono essere utilizzati per misurare la costante di Hubble. Nel corso dei decenni, gli scienziati sono riusciti a ottenere misurazioni più precise della costante di Hubble, ma esistono ancora delle discrepanze.
L'LGWA ci dirà di più anche sulla Luna. Le sue osservazioni sismiche riveleranno la struttura interna della Luna in modo più dettagliato che mai. Ci sono molte cose che gli scienziati ancora non sanno sulla sua formazione, storia ed evoluzione. Le osservazioni sismiche della LGWA illumineranno anche i processi geologici della Luna.
La missione LGWA è ancora in fase di sviluppo. Prima che possa essere implementato, gli scienziati devono sapere di più su dove intendono posizionarlo. È qui che entra in gioco la missione preliminare del Soundcheck.
Nel 2023, l'ESA ha selezionato Soundcheck nel suo Reserve Pool of Science Activity per la luna. Il Soundcheck non misurerà solo lo spostamento della superficie sismica, le fluttuazioni magnetiche e la temperatura, ma sarà anche una missione di dimostrazione tecnologica. "La convalida della tecnologia Soundcheck si concentra sull'implementazione, sulla meccanica e sulla lettura dei sensori inerziali, sulla gestione termica e sul livellamento della piattaforma", spiegano gli autori.
In astronomia, astrofisica, cosmologia e attività scientifiche correlate, sembra sempre che siamo sull'orlo di nuove scoperte e di una nuova comprensione dell'universo e di come ci adattiamo ad esso. Il motivo per cui sembra sempre così è perché è vero. Gli esseri umani stanno migliorando sempre di più e l’avvento e il fiorire della scienza GW ne è un esempio, anche se siamo appena all’inizio. Non è passato nemmeno un decennio da quando gli scienziati hanno rilevato il loro primo GW.
Dove andranno le cose da qui in poi?
"Nonostante questa tabella di marcia ben sviluppata per la scienza delle GW, è importante rendersi conto che l'esplorazione del nostro universo attraverso le GW è ancora agli inizi", scrivono gli autori nel loro articolo. "Oltre all'immenso impatto previsto sull'astrofisica e sulla cosmologia, questo campo ha un'alta probabilità di scoperte inaspettate e fondamentali."
Ulteriori informazioni: Parameswaran Ajith et al, L'antenna lunare delle onde gravitazionali:studi di missione e caso scientifico, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2404.09181
Informazioni sul giornale: arXiv
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