Il North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) è un rilevatore di onde gravitazionali che monitora le aree nelle vicinanze della Terra utilizzando una rete di pulsar (cioè, stelle a forma di orologio). Alla fine del 2020, la collaborazione NANOGrav ha raccolto prove di fluttuazioni nei dati temporali di 45 pulsar, che potrebbe essere compatibile con un segnale di fondo di onde gravitazionali stocastiche (SGWB) a frequenze di nanohertz.

Queste onde gravitazionali potrebbero potenzialmente essere collegate alle fusioni di buchi neri estremamente massicci. Team di fisici teorici in tutto il mondo, però, hanno fornito spiegazioni alternative per le onde gravitazionali osservate da NANOGrav. Alcuni gruppi hanno suggerito che potrebbero essere stati prodotti da filamenti superdensi noti come stringhe cosmiche, mentre altri hanno ipotizzato che si sarebbero potuti generare durante la nascita di buchi neri primordiali.

Un'interpretazione delle stringhe cosmiche dei dati NANOGrav

John Ellis e Marek Lewicki, due ricercatori del King's College di Londra e dell'Università di Varsavia, ha recentemente offerto un'interpretazione teorica delle stringhe cosmiche dei nuovi dati NANOGrav. Hanno dimostrato che il segnale SGWB che NANOGrav potrebbe aver osservato potrebbe essere prodotto da una rete di stringhe cosmiche nate nell'universo primordiale. I ricercatori hanno teorizzato che questa rete si sarebbe evoluta con l'espansione dell'universo, producendo cicli chiusi quando le stringhe si scontrano. Questi circuiti decadrebbero poi lentamente in onde gravitazionali, risultante nel segnale rilevato da NANOGrav.

"Abbiamo dimostrato che le stringhe cosmiche si adattano molto bene al segnale NANOGrav, leggermente migliore della possibile fonte alternativa di sistemi binari di buchi neri supermassicci, " Dissero Ellis e Lewicki. "Inoltre, abbiamo dimostrato che la nostra ipotesi sarà semplice da testare in futuri osservatori di onde gravitazionali come LISA".

"La nostra ricerca si basa su anni di lavoro di molti gruppi che hanno reso possibili calcoli accurati del segnale dell'onda gravitazionale prodotto dalle stringhe cosmiche, " Ellis e Lewicki hanno detto a Phys.org. "Siamo entrati in azione non appena abbiamo appreso dei nuovi dati promettenti dalla collaborazione NANOGrav, per verificare quanto sarebbe una buona candidata una rete di stringhe cosmiche per spiegare i dati."

L'articolo di Ellis e Lewicki sottolinea che anche la storia dell'espansione dell'universo è codificata nel segnale. Questo perché la rete di stringhe cosmiche che descrivono emetterebbe un segnale nel corso della storia dell'universo e tutte le caratteristiche dell'espansione dell'universo lascerebbero un'impronta corrispondente sullo spettro del segnale che potrebbe quindi essere sondato da futuri rivelatori.

"Grazie alla forza del segnale necessaria per spiegare i dati NANOGrav, questo permetterebbe di sondare la storia dell'universo a tempi molto prima di quanto si pensasse in precedenza, giustificare ulteriori studi, " Hanno detto Ellis e Lewicki. "Attualmente stiamo lavorando per AION e AEDGE, che sono nuovi esperimenti proposti che potrebbero in futuro sondare una parte diversa della storia dell'universo rispetto a NANOGrav o LISA, e potenzialmente testare la nostra interpretazione dei dati NANOGrav."

Il segnale NANOGrav come prima prova di stringhe cosmiche

Parallelamente al lavoro di Ellis e Lewicki, i ricercatori del Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) e del CERN hanno anche cercato di dimostrare teoricamente che le onde gravitazionali delle stringhe cosmiche sono una spiegazione ben motivata e perfettamente praticabile per il segnale di temporizzazione della pulsar rilevato da NANOGrav. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , si basa su una serie di studi precedenti nel campo dell'astronomia delle onde gravitazionali.

"Dal rilevamento rivoluzionario delle onde gravitazionali da parte di LIGO nel 2015, il campo dell'astronomia delle onde gravitazionali ha continuato a fare progressi a un ritmo impressionante, " Kai Schmitz del CERN, uno degli autori del saggio, ha detto a Phys.org. "Finora, tutti i segnali osservati sono stati causati da eventi astrofisici come le fusioni di buchi neri binari. Questi eventi sono chiamati "transitori" e portano solo a segnali di breve durata nei rivelatori di onde gravitazionali. Il prossimo grande passo nell'astronomia delle onde gravitazionali sarà quindi il rilevamento di uno "sfondo" stocastico di onde gravitazionali, un segnale costantemente presente, raggiungendoci da tutte le direzioni nello spazio."

Il rilevamento di segnali gravitazionali "di fondo" potrebbe essere associato a una più ampia varietà di fenomeni astrofisici e cosmologici, che vanno dalle fusioni binarie agli eventi che hanno avuto luogo nell'universo primordiale. Sorprendentemente, un tale segnale SGWB potrebbe anche essere l'equivalente di onde gravitazionali del segnale cosmico di fondo a microonde (CMB), che è essenzialmente il bagliore residuo del Big Bang nelle radiazioni elettromagnetiche e alle frequenze delle microonde.

"Come fisici delle particelle, siamo particolarmente interessati ai contributi primordiali al SGWB, che promettono di codificare una ricchezza di informazioni sulla dinamica dell'universo primordiale e quindi la fisica delle particelle alle più alte energie, " ha detto Schmitz. "Possibili fonti di onde gravitazionali primordiali potrebbero essere l'inflazione cosmica, transizioni di fase nella struttura del vuoto dell'universo primordiale e delle stringhe cosmiche. Nei nostri progetti precedenti, avevamo già esplorato tutte e tre queste possibilità."

Nel loro recente studio, Schmitz e i suoi colleghi MPIK Simone Blasi e Vedran Brdar hanno ipotizzato che i dati di temporizzazione delle pulsar raccolti da NANOGrav potrebbero essere la prima prova di stringhe cosmiche. Si ipotizza che le stringhe cosmiche siano i resti di transizioni di fase a energie estremamente elevate, possibilmente vicino alla scala energetica della grande unificazione (cioè, le energie alle quali si prevede che tutte le forze subatomiche della natura si uniscano in una forza comune).

"In questo caso, è improbabile che la transizione di fase che dà vita a stringhe cosmiche porti a un segnale osservabile nelle onde gravitazionali stesse, o perché semplicemente non produce alcun segnale apprezzabile o perché il segnale si trova in alto, frequenze non osservabili, " disse Schmitz. "Le corde cosmiche, però, i resti della transizione di fase, hanno la possibilità di produrre un grande segnale in onde gravitazionali che, se rilevato, può raccontarci le simmetrie e le forze che hanno governato l'universo durante i primi istanti della sua esistenza."

Nel passato, i fisici hanno proposto una serie di modelli teorici che ipotizzano quali tipi di nuova fisica potrebbero dare origine a una rete di stringhe cosmiche nell'universo primordiale. In alcuni dei loro studi precedenti, Schmitz, Blasi e Brdar si sono concentrati specificamente sull'idea che le stringhe cosmiche potrebbero essere correlate all'origine delle masse di neutrini e all'asimmetria cosmica tra materia e antimateria.

"Questa connessione tra le onde gravitazionali, stringhe cosmiche e il cosiddetto meccanismo ad altalena, la realizzazione più studiata della generazione di massa di neutrini, è stato approfondito in numerosi studi, sia da noi che da altre squadre, " ha detto Schmitz. "Le stringhe cosmiche di questo tipo sono chiamate "stringhe cosmiche B-L", " in quanto risultano da una transizione di fase cosmologica che porta alla violazione della simmetria BL (B meno L); dove BL sta per la differenza del numero barionico (B) e leptone (L). La simmetria BL gioca un ruolo importante nell'altalena meccanismo; solo la "rottura" di questa simmetria nell'universo primordiale apre la strada a uno stato fisico dell'universo in cui i neutrini possono acquisire massa tramite il meccanismo ad altalena".

Schmitz e i suoi colleghi hanno già teorizzato le onde gravitazionali che potrebbero derivare dalle stringhe cosmiche B-L in un articolo pubblicato nel 2020. In questo lavoro precedente, si sono concentrati specificamente sullo spettro delle onde gravitazionali a frequenze più alte, esplorando la possibilità di sondare angoli speciali dello spazio dei parametri che sono rilevanti dal punto di vista del meccanismo altalena.

"Quando abbiamo sentito parlare per la prima volta del nuovo risultato NANOGrav, eravamo completamente preparati per confrontare le nostre previsioni per un segnale di onde gravitazionali indotto da stringhe cosmiche con il segnale nei dati NANOGrav, Schmitz ha detto. "Abbiamo quindi iniziato immediatamente a calcolare lo spettro delle onde gravitazionali da stringhe cosmiche nella gamma di frequenze dei nanohertz. A differenza della nostra analisi di aprile 2020, non ci siamo più concentrati sulle corde cosmiche B-L, ma considerate stringhe cosmiche in senso più generale, rimanendo agnostici sui dettagli della loro origine a energie molto elevate."

Nel loro recente studio, Schmitz, Blasi e Brdar volevano dimostrare che il segnale osservato da NANOGrav poteva riflettere le onde gravitazionali prodotte dalle stringhe cosmiche. Inoltre, hanno cercato di mappare l'intera regione praticabile nello spazio dei parametri della stringa cosmica che avrebbe permesso di adattare i dati.

"Attualmente, è importante rimanere cauti, poiché non è ancora nemmeno chiaro se NANOGrav abbia davvero rilevato uno sfondo di onde gravitazionali, " ha detto Schmitz. "A tal fine, è prima necessario rilevare uno specifico pattern di correlazione tra i residui di temporizzazione delle singole pulsar. Questo modello può essere rappresentato come un grafico che mostra la correlazione tra coppie di pulsar in funzione dell'angolo che separa due pulsar nel cielo; questo grafico è la famosa curva di Hellings-Downs."

Per confermare che il segnale rilevato da NANOGrav deriva da onde gravitazionali, i fisici dovrebbero prima dimostrare che è conforme alla curva di Hellings-Downs. Mentre i dati sembrano essere abbastanza allineati con questa interpretazione, i ricercatori devono ancora raccogliere prove sufficienti del modello Helling-Downs che emerge dai dati. Studi in corso e futuri, però, potrebbe infine accertare la validità del segnale di temporizzazione della pulsar NANOGrav e misurare alcune delle sue proprietà con maggiore precisione. Misurazione delle proprietà del segnale NANOGrav (ad es. se aumenta/diminuisce in funzione della frequenza e, se è così, quanto velocemente sale/scende) potrebbe aiutare a determinare le sue possibili fonti.

"Tutto quello che possiamo dire è che, attualmente, le onde gravitazionali delle stringhe cosmiche sono una spiegazione perfettamente praticabile del segnale, Schmitz ha detto. "Le stringhe cosmiche producono la giusta ampiezza A del segnale; risultano in un indice spettrale gamma che è perfettamente coerente con i limiti NANOGrav su questo parametro; e i valori gamma previsti sono anche leggermente (ma solo di un pochino) migliori in accordo con i dati rispetto al valore gamma =13/3 previsto dai binari dei buchi neri supermassicci".

Globale, lo studio condotto da Schmitz, Blasi e Brdar dimostrano teoricamente che le stringhe cosmiche potrebbero essere una valida spiegazione del segnale NANOGrav. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che l'interpretazione della stringa cosmica funziona per una vasta gamma dei due parametri della stringa cosmica su cui si sono concentrati nel loro articolo:la tensione della stringa cosmica Gmu e la dimensione del ciclo della stringa cosmica alfa.

"Ciò rende flessibile l'interpretazione delle stringhe cosmiche e apre molte possibilità riguardo alla possibile origine delle stringhe cosmiche, " ha spiegato Schmitz. "Grandi anelli con una piccola tensione possono spiegare il segnale, loop più piccoli con una tensione leggermente maggiore possono spiegare il segnale, eccetera."

Oltre a dimostrare teoricamente che il segnale NANOGrav potrebbe riflettere stringhe cosmiche, i ricercatori hanno dimostrato che i futuri esperimenti sulle onde gravitazionali a frequenze più elevate sonderanno un ampio spazio parametrico praticabile. Questa scoperta suggerisce che le onde gravitazionali delle stringhe cosmiche possono essere un punto di riferimento ideale per l'astronomia delle onde gravitazionali multifrequenza.

"A differenza di molte altre spiegazioni del segnale NANOGrav, prevediamo che le stringhe cosmiche porteranno anche a un segnale che sarà osservato negli esperimenti spaziali e terrestri di prossima generazione, Schmitz ha detto. "Questo aspetto della nostra interpretazione mette in evidenza la complementarità di queste misurazioni alle basse e alte frequenze. Un rilevamento positivo alle alte frequenze consentirà in particolare di ricostruire la storia dell'espansione dell'universo primordiale".

Il parametro OGM, caratterizzando la tensione cosmica delle corde, o energia per unità di lunghezza, può essere tradotto in una stima della scala energetica alla quale si suppone che le stringhe cosmiche si siano formate nell'universo primordiale. I valori Gmu che Schmitz e i suoi colleghi hanno trovato nella loro analisi indicano una scala energetica nell'intervallo da 10 ¹⁴ a 10 ¹⁶ GeV.

"Questi sono valori tipici che si incontrano anche nelle grandi teorie unificate (GUT) che descrivono l'unificazione delle forze subatomiche a energie molto elevate, " ha spiegato Schmitz.

"I nostri risultati sono quindi coerenti con l'idea della grande unificazione e della rottura di certe simmetrie nell'universo primordiale che si traducono nella creazione di una rete di stringhe cosmiche".

Mentre le analisi teoriche svolte da questo team di ricercatori sono molto perspicaci, è importante notare che i modelli del segnale dell'onda gravitazionale che verrebbe prodotto dalle stringhe cosmiche sono associati ad alcune incertezze teoriche. Ad esempio, due degli approcci più utilizzati per studiare la dinamica delle stringhe cosmiche in simulazioni al computer su larga scala, vale a dire gli approcci "stringhe Nambu-Goto" e "stringhe Abelian Higgs", non sempre portano agli stessi risultati.

"Nel nostro lavoro, utilizziamo simulazioni di stringhe Nambu-Goto, " ha aggiunto Schmitz. "A lungo termine, sarebbe interessante risolvere la discrepanza tra questi due approcci, quale, però, è un compito molto impegnativo. Intanto, abbiamo quindi in programma di procedere a passi più piccoli e successivamente migliorare la descrizione Nambu-Goto delle stringhe cosmiche."

Nell'approssimazione di Nambu-Goto, le stringhe cosmiche sono più o meno prive di caratteristiche, poiché sono descritti come oggetti unidimensionali che trasportano una certa quantità di energia per unità di lunghezza.

Questa rappresentazione potrebbe non riflettere effettivamente le proprietà delle stringhe cosmiche in scenari reali.

"Le stringhe cosmiche possono effettivamente trasportare una corrente elettrica, possono perdere energia attraverso l'emissione di particelle elementari oltre all'emissione di onde gravitazionali, eccetera., " ha detto Schmitz. "Nei nostri prossimi studi, intendiamo quindi spiegare passo dopo passo questi perfezionamenti e investigare come questi aspetti più sofisticati possono manifestarsi nello spettro delle onde gravitazionali. Allo stesso tempo, non crediamo che questi perfezionamenti capovolgeranno la nostra interpretazione delle stringhe cosmiche del segnale NANOGrav."

I dati NANOGrav come indicazione dei buchi neri primordiali

Alcuni ricercatori hanno anche fornito spiegazioni per i dati NANOGrav che non visualizzano il segnale nel contesto delle stringhe cosmiche. Ad esempio, un team dell'Université de Genève ha suggerito che un tale segnale SGWB potrebbe anche essere generato dalla formazione di buchi neri primordiali dalle perturbazioni generate dall'espansione dell'universo.

"Abbiamo fornito una possibile interpretazione del segnale a spettro comune, come indotto dalle onde gravitazionali generate nell'universo primordiale in connessione con la nascita dei buchi neri primordiali, che sono buchi neri formati nelle prime epoche durante l'evoluzione dell'universo, "Antonio Riotto, Valerio De Luca e Gabriele Franciolini, i tre ricercatori che hanno condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "I buchi neri primordiali con masse non lontane dalla massa tipica degli asteroidi possono comprendere la totalità della materia oscura nell'universo e, il loro processo di formazione lascia dietro di sé uno sfondo stocastico di onde gravitazionali che spiegano i dati NanoGrav."

Secondo Riotto, De Luca e Franciolini, l'idea che tutta la materia oscura dell'universo sia composta da buchi neri primordiali e il fatto che la loro formazione dovrebbe lasciare dietro di sé un segnale SGWB simile a quello rilevato da NANOGrav potrebbe sembrare slegato, tuttavia potrebbero essere collegati in modi interessanti. Ad esempio, se i buchi neri primordiali costituissero l'intera materia oscura nell'universo, non sarebbe necessario trovare spiegazioni speculative per descrivere o spiegare l'esistenza della materia oscura, in quanto sarebbe effettivamente composto da materia "ordinaria", che i fisici conoscono già.

"Infatti, se la materia oscura è fatta di buchi neri primordiali, non sarebbe necessario invocare alcune spiegazioni speculative per spiegare la materia oscura:i buchi neri primordiali sono, infatti, fatto della stessa materia ordinaria che conosciamo, " hanno spiegato i ricercatori. "Il nostro studio fornisce una spiegazione economica del segnale rilevato dalla collaborazione NANOGrav con un'elegante connessione alla ricerca della materia oscura, che potrebbe essere ulteriormente studiato con l'aiuto di futuri esperimenti sulle onde gravitazionali come LISA, un interferometro spaziale."

Il segnale di fondo dell'onda gravitazionale che De Luca, Franciolini e Riotto predetto sarebbero stati prodotti da buchi neri primordiali potrebbero presto essere sondati in altre gamme di frequenza (ad es. frequenze di milliHertz). Nei loro prossimi studi, i ricercatori hanno quindi in programma di cercare prove dell'esistenza di buchi neri primordiali generati nell'universo primordiale analizzando nuovi dati sulle onde gravitazionali in altre frequenze.

"In particolare, desideriamo fare previsioni per la quantità di onde gravitazionali che verranno rilevate in esperimenti futuri, come LISA o il telescopio europeo Einstein, un rilevatore sotterraneo, rileverà, " hanno detto i ricercatori.

Nel futuro prossimo, the NANOGrav collaboration will try to confirm the validity of the signal it detected. Nel frattempo, theoretical physicists worldwide are still working on numerous interesting theories that could explain the nature of this signal. The papers published by these teams at Max-Planck-Institut für Kernphysik, CERN, King's College London, the University of Warsaw and the Université de Genève offer particularly noteworthy interpretations that could be confirmed or refuted by future studies.

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