Signatures in the local interstellar medium of electromagnetic radiation produced by neutron star gravitational waves

Nel profondo del silenzio tra le stelle, ben oltre la bolla protettiva del nostro Sole, una coppia di sonde spaziali sta ascoltando un ronzio tenue e persistente da decenni. Queste sono le sonde Voyager, i primi oggetti creati dall'uomo ad entrare nel vero mezzo interstellare, il vasto oceano di gas e polvere che riempie lo spazio tra le stelle. Dalla metà degli anni '80, e continuando ben oltre l'aver attraversato il confine noto come eliopausa, i loro strumenti hanno rilevato oscillazioni di plasma — increspature nel gas elettricamente carico dello spazio — che vibrano a una frequenza di circa 3.000 cicli al secondo. Per quarant'anni, gli scienziati hanno cercato di identificare la fonte di questo rumore cosmico. Sebbene alcune teorie suggerissero che le increspature fossero causate da tempeste solari che colpiscono il bordo del nostro sistema solare, sono cresciuti i dubbi sul fatto che il nostro Sole possa essere responsabile di segnali che persistono molto tempo dopo che l'attività solare è svanita. La domanda rimane: cosa genera queste onde costanti e a bassa frequenza nel buio profondo?

Un nuovo studio propone una risposta radicale, suggerendo che la fonte non risieda nel nostro sistema solare, ma nelle vite violente delle stelle morte. I ricercatori, Preston Jones, Pragati Pradhan e Douglas Singleton, esplorano un meccanismo teorico in cui le onde gravitazionali emesse dalle stelle di neutroni potrebbero generare la radiazione elettromagnetica che la Voyager sta ascoltando. Le stelle di neutroni sono i nuclei densi e collassati di stelle massicce che sono esplose. Alcune di queste stelle ruotano centinaia di volte al secondo e, mentre ruotano, possono inviare increspature nel tessuto dello spazio e del tempo note come onde gravitazionali. Il documento suggerisce che, mentre queste onde gravitazionali viaggiano attraverso lo spazio, possono interagire con il vuoto stesso per produrre radiazione elettromagnetica, un processo che gli autori chiamano "co-produzione".

La logica di questa connessione si basa su una specifica catena di eventi che coinvolge la frequenza. Le stelle di neutroni che ruotano più rapidamente possono ruotare a circa 700 volte al secondo. Se una tale stella emette onde gravitazionali, la teoria prevede che tali onde oscillino a due volte la velocità di rotazione, ovvero circa 1.400 volte al secondo. La teoria della co-produzione suggerisce quindi che queste onde gravitazionali genererebbero, a loro volta, onde elettromagnetiche a due volte la propria frequenza. Ciò risulta in un segnale finale che vibra a circa 3.000 volte al secondo, il che corrisponde esattamente alla frequenza delle oscillazioni di plasma rilevate dalla Voyager. Questo allineamento matematico offre una spiegazione convincente del perché i segnali siano a questo specifico tono, un dettaglio che le precedenti teorie basate sul Sole faticavano a spiegare.

Tuttavia, gli autori sottolineano con cautela che si tratta di un suggerimento basato su calcoli teorici, non di una scoperta confermata. Calcolano che, affinché una stella di neutroni produca un segnale abbastanza forte da essere udito dalla Voyager, debba essere relativamente vicina, entro un limite teorico di circa 150 parsec (circa 490 anni luce), ed estremamente energetica. Il documento identifica i resti di supernovae note come Cassiopeia A e Vela Jr. come probabili candidati per produrre tali onde gravitazionali energetiche, sebbene noti che la pulsar di Vela è essa stessa a circa il doppio di questa distanza limite stimata dalla Terra, rendendola una fonte meno probabile per le specifiche osservazioni della Voyager. I ricercatori considerano anche come i segnali possano persistere per anni. Propongono che, sebbene l'impulso iniziale di energia da un evento di stella di neutroni possa essere breve, le increspature risultanti nel plasma interstellare potrebbero essere sostenute dalle proprietà uniche dello spazio tra le stelle, proprio come una campana che continua a suonare molto tempo dopo essere stata colpita.

Lo studio esamina anche il contesto più ampio di ciò che la Voyager ha osservato. La sonda ha rilevato raggi cosmici, particelle ad alta energia, che arrivano a un ritmo che corrisponde approssimativamente alla frequenza dei "glitch", o accelerazioni improvvise, nella rotazione di note stelle di neutroni. Questa correlazione conferisce peso all'idea che le stelle di neutroni siano la fonte dell'attività che la Voyager sta testimoniando. Se le oscillazioni del plasma sono effettivamente il risultato di onde gravitazionali che si convertono in onde radio, significherebbe che le sonde Voyager stanno agendo efficacemente come rilevatori per un tipo di onda gravitazionale che gli attuali osservatori terrestici non possono vedere. Gli esistenti rilevatori sono sintonizzati su frequenze molto più basse e perderebbero questi segnali rapidi e ad alta frequenza.

Gli autori sottolineano che la prova più forte di questa teoria sarebbe il rilevamento simultaneo di un segnale di onde gravitazionali a 1.500 cicli al secondo e dell'oscillazione del plasma a 3.000 cicoli al secondo. Hanno esaminato i dati dell'estate del 2017, quando la Voyager ha registrato un evento di raggi cosmici e un'oscillazione di plasma, e hanno notato che in quel momento non è stato riportato alcun segnale di onde gravitazionali. Tuttavia, il documento chiarisce che questa assenza di rilevamento è coerente con il fatto che la fonte si trovi oltre i limiti di sensibilità ad alta frequenza degli attuali rilevatori, piuttosto che essere un risultato negativo definitivo di una ricerca specifica in quella finestra temporale. Il documento conclude che, sebbene le prove non siano ancora definitive, la teoria della co-produzione fornisce una spiegazione plausibile e fisicamente coerente per un mistero che persiste da decenni. Suggerisce che il ronzio che la Voyager sente è l'eco della rotazione di una stella morente, trasformata dalle leggi della fisica in un suono che può viaggiare attraverso la galassia.