Looking for gravitational waves with orbital dynamics: GUEST mission and the $μ$Hz band of Gravitational Waves

Per decenni, l'umanità ha ascoltato l'universo principalmente attraverso la luce. Dalle lunghe onde radio di galassie distanti alle raggi gamma ad alta energia di stelle in esplosione, i telescopi hanno dipinto un quadro del cosmo attraverso l'intero spettro elettromagnetico. Ogni nuova finestra su questa luce ha rivelato meraviglie inaspettate, dal fondo cosmico a microonde all'esistenza dei buchi neri. Ma la luce non è l'unico messaggero. Dalla prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali, un universo invisibile ha iniziato a rivelarsi. Queste onde sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo, create dagli eventi più violenti ed energetici del cosmo, come la collisione di buchi neri. A differenza della luce, che può essere bloccata o dispersa da polvere e gas, le onde gravitazionali attraversano l'universo senza impedimenti, portando informazioni incontaminate dal momento stesso della loro creazione.

Fino a tempi recenti, la nostra capacità di ascoltare queste increspature è stata limitata a frequenze specifiche. Abbiamo rilevato segnali ad alta frequenza provenienti dalla fusione di buchi neri e stelle di neutroni, e abbiamo trovato prove di un ronzio a bassa frequenza causato da buchi neri supermassicci che orbitano l'uno attorno all'altro per milioni di anni. Tuttavia, esiste un vasto vuoto silenzioso tra questi due estremi. Questa regione mancante, nota come banda dei microhertz, corrisponde a scale temporali che vanno da ore a mesi. È una regione in cui l'universo potrebbe sussurrare segreti sulla formazione dei primi buchi neri, sulla natura della materia oscura o persino sulla fisica dell'universo primordiale. Colmare questo vuoto è la prossima grande sfida per l'astronomia delle onde gravitazionali, e una nuova proposta suggerisce un modo sorprendentemente semplice per ascoltare.

Il documento delinea un concetto di missione chiamato GUEST, che sta per Gravitational Universe Exploration with Satellite Tracking. L'idea centrale si basa su un principio fondamentale della fisica: proprio come un diapason vibra quando sente un suono alla sua specifica tonalità, un sistema in orbita può risuonare con un'onda gravitazionale se la frequenza dell'onda corrisponde al ritmo dell'orbita. I ricercatori propongono di posizionare due sfere dense e passive in orbite altamente ellittiche attorno alla Terra. Queste sfere sarebbero coperte da minuscoli specchi chiamati retroriflettori. Riflettendo fasci laser da stazioni sulla Terra, gli scienziati potrebbero tracciare la posizione precisa delle sfere con un'accuratezza incredibile. Se un'onda gravitazionale attraversa il sistema, essa allungherebbe e comprimerebbe sottilmente lo spazio, causando un'oscillazione nella distanza tra la Terra e il satellite secondo un modello specifico. Poiché i satelliti si trovano in orbite allungate, essi agiscono come rilevatori risonanti, amplificando questi effetti minimi nel tempo affinché possano essere misurati.

La proposta si fonda sulla realtà che la tecnologia attuale è sufficiente per far funzionare il tutto, a condizione che l'analisi dei dati sia avanzata. La missione coinvolgerebbe due satelliti, ciascuno una sfera solida grande circa quanto una grande palla da spiaggia, con un peso tale da resistere alla pressione del vento solare o della resistenza atmosferica. Sarebbero collocati in orbite che li portano da appena poche migliaia di chilometri sopra la Terra fino a quasi novantamila chilometri di distanza. Questa elevata eccentricità è cruciale. Mentre i satelliti accelerano vicino al punto di massima vicinanza e rallentano al punto più lontano, il loro ritmo orbitale crea una sensibilità naturale alla banda dei microhertz. La rete globale di stazioni di monitoraggio laser, che attualmente traccia altri satelliti e la Luna, verrebbe aggiornata per seguire questi nuovi oggetti per almeno dieci anni. La sfida non è costruire nuova hardware per lo spazio, ma piuttosto tracciare oggetti che viaggiano molto più lontano rispetto al solito e sviluppare gli strumenti matematici per separare il debole segnale di un'onda gravitazionale dal complesso rumore della meccanica orbitale.

I potenziali premi per l'ascolto di questa banda di frequenza sono immensi. Se i segnali rilevati recentemente dai pulsar timing array sono effettivamente causati da coppie di buchi neri supermassicci, il loro segnale deve estendersi in questo intervallo di microhertz, offrendo un modo diretto per studiare come questi giganti si formano e si fondono. Inoltre, questa banda è un terreno di caccia privilegiato per la nuova fisica. Potrebbe rivelare segnali dall'universo primordiale, come le transizioni di fase avvenute quando il cosmo aveva solo una frazione di secondo di età. Potrebbe anche rilevare la presenza di buchi neri primordiali, che sono oggetti teorici formatisi durante il Big Bang, o persino materia oscura ultra-leggera che si comporta più come un'onda che come una particella. Le simulazioni presentate nel documento suggeriscono che questa missione potrebbe raggiungere una sensibilità tale da permetterle di sondare questi fenomeni, potenzialmente vedendo segnali da buchi neri a miliardi di anni luce di distanza o rilevando la sottile influenza della materia oscura sulle orbite dei satelliti.

Oltre alla ricerca di onde cosmiche, la missione offre benefici immediati per la nostra comprensione della gravità e della Terra stessa. La precisione richiesta per tracciare questi satelliti migliorerebbe le nostre misurazioni del campo gravitazionale terrestre e del valore preciso della costante gravitazionale. Permetterebbe inoltre agli scienziati di testare le leggi della gravità in modi attualmente impossibili, cercando piccole deviazioni che potrebbero suggerire nuove forze o particelle. L'autore sottolinea che, sebbene il concetto sia pronto, la strada da percorrere richiede un lavoro attento. Attualmente si sta costruendo una collaborazione per perfezionare le tecniche di analisi dei dati, passando dai metodi standard utilizzati per la mappatura della Terra a metodi capaci di rilevare la crescita lenta e cumulativa del segnale di un'onda gravitazionale. Se avesse successo, GUEST aggiungerebbe un nuovo colore al cielo delle onde gravitazionali, trasformando un vuoto silenzioso nella nostra conoscenza in una ricca fonte di scoperte sulla natura fondamentale dell'universo.