Orologi cosmici per scovare buchi neri supermassicci: la sfida di B Massive

È ormai un fatto accertato che al centro di ogni galassia esista un buco nero supermassiccio. Quello della nostra Via Lattea, per esempio, ha la massa di quattro milioni di soli ed è stato oggetto dell’ultimo premio Nobel per la Fisica. Nel modello gerarchico di formazione delle strutture cosmiche, le galassie che popolano l’universo oggi sono il prodotto di una serie di fusioni successive di galassie più piccole. Se ciascuna di esse ospita un buco nero supermassiccio al centro, a seguito di queste fusioni si formeranno un gran numero di sistemi binari di tali oggetti.

Le binarie di buchi neri supermassicci sono gli oggetti astrofisici più estremi, affascinanti e sfuggenti dell’Universo. Stabilirne a livello osservativo l’esistenza sarà una pietra miliare per l’astronomia contemporanea, che fornirà un fondamentale pezzo mancante nel puzzle della formazione delle galassie, svelerà i processi fisici che governano i nuclei galattici fino alla scala dell’orizzonte degli eventi e testerà la gravità in condizioni estreme. È questo l’obiettivo che si prefigge “B Massive”.

Il progetto, finanziato dall’European Research Council, si svolge all’interno della Sezione di Astrofisica del Dipartimento di Fisica “G. Occhialini”, coinvolge 9 ricercatori ed è coordinato dal Prof. Alberto Sesana. L’idea su cui si fonda è quella di “ascoltare il sussurrare cosmico” di queste binarie. Si prevede infatti che esse siano potenti sorgenti di onde gravitazionali, vibrazioni infinitesime dello spazio-tempo che propagano nel vuoto alla velocità della luce. Rivelate per la prima volta nel 2015, stanno rivoluzionando la nostra comprensione del cosmo, e sono valse il premio Nobel per la Fisica del 2017. Gli strumenti utilizzati per queste misure (gli interferometri LIGO e Virgo) lavorano però a frequenze del kilo-Hz, mentre il brusio delle binarie di buchi neri supermassicci interessa frequenze molto più basse, tra il nano-Hz e il micro-Hz rimanendo, a oggi, inascoltato.

Per nostra fortuna la natura ha disseminato nello spazio interstellare degli orologi cosmici: le pulsar a millisecondo. Si tratta di stelle di neutroni in rapidissima rotazione i cui impulsi radio, regolari come la luce emessa da un faro, sono misurati dai più grandi radiotelescopi mai costruiti, una tecnica nota come pulsar timing. L’idea di rivelazione è semplice (in figura): se lo spaziotempo è percorso da un’onda gravitazionale, le pulsar e la Terra oscillano all’unisono. Questa oscillazione è impressa nei tempi di arrivo dei segnali radio e più pulsar si osservano, maggiori
sono le chances di rivelazione. Il team di B Massive sta raccogliendo e analizzando I dati di pulsar timing più precisi mai prodotti dall’European Pulsar Timing Array (EPTA), e in parallelo sta studiando nel dettaglio il segnale atteso dalla popolazione cosmica di binarie di buchi neri supermassicci per poter interpretare in modo corretto questi dati. Al momento stiamo completando l’analisi di un dataset pilota di 6 pulsar, ed entro il 2022 avremo l’analisi completa delle migliori 25 pulsar a disposizione. L’attesa è grande, perché sappiamo che la stabilità dei nostri orologi cosmici potrebbe essere sufficiente per captare questo flebile brusio. La rivelazione di questo segnale sarebbe un’altra svolta epocale nella nostra comprensione dell’universo, nonché l’ennesimo successo dell’astrofisica delle onde gravitazionali. Non ci siamo ancora, ma lavoriamo per raggiungere questo importante obiettivo, e Bicocca è in prima linea.

Questo progetto ha ricevuto finanziamento dallo European Research Council (ERC) all’interno del Programma
Quadro Europeo per la Ricerca e l’Innovazione Horizon 2020, grant agreement N° 818691