Quando due galassie si fondono, i loro buchi neri centrali finiscono per orbitare l’uno attorno all’altro, formando una coppia che lentamente si avvicina emettendo onde gravitazionali. Per coppie di buchi neri supermassicci queste onde sono lentissime: un’oscillazione può durare mesi o anni. Nessun rivelatore costruito sulla Terra può coglierle. Per “sentirle” gli astronomi usano un rivelatore grande quanto la galassia: una rete di pulsar.
Ora un gruppo di ricerca guidato da Yiqin Chen, Shi-Yi Zhao e Xingjiang Zhu della Beijing Normal University, insieme ai colleghi della collaborazione Parkes Pulsar Timing Array, ha usato questa tecnica per indagare un’epoca finora fuori portata: l’alba cosmica, meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang. Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, fissa i primi limiti alla massa di eventuali coppie di buchi neri giganti in quell’epoca, inclusa la direzione di una delle galassie più lontane mai osservate.
Orologi cosmici
Le pulsar sono stelle di neutroni in rapidissima rotazione che emettono fasci di onde radio, come fari cosmici. Alcune, le cosiddette pulsar al millisecondo, ruotano centinaia di volte al secondo con una regolarità paragonabile a quella dei migliori orologi atomici. Se un’onda gravitazionale attraversa lo spazio tra noi e una pulsar, lo deforma leggermente e gli impulsi arrivano con anticipi o ritardi minuscoli, di miliardesimi di secondo. Confrontando questi scarti per decine di pulsar sparse nel cielo si costruisce un pulsar timing array, una “rete di cronometraggio” sensibile alle onde con frequenze di pochi nanohertz.
Nel 2023 diverse collaborazioni internazionali, tra cui quella australiana di Parkes e l’europea EPTA con importanti contributi italiani, hanno annunciato le prime prove di un “fondo” di onde gravitazionali di questo tipo, probabilmente il brusio combinato di innumerevoli coppie di buchi neri supermassicci. Il passo successivo è cercare le singole sorgenti, cioè le onde “continue” emesse da una coppia specifica.
Il vantaggio della distanza
Il punto chiave del nuovo lavoro è un effetto controintuitivo. Le onde gravitazionali, come la luce, vengono “stirate” dall’espansione dell’Universo: arrivano a noi con frequenza più bassa di quella con cui sono partite. Questo significa che, a parità di frequenza osservata, una coppia molto lontana sta in realtà emettendo a frequenza più alta, cioè si trova in una fase più avanzata e “rumorosa” della sua spirale verso la fusione. Gli autori mostrano che oltre una certa distanza, corrispondente a un redshift di circa 2,6, questo guadagno compensa l’indebolimento dovuto alla lontananza.
Le ricerche tradizionali non tenevano conto in modo completo di questi effetti cosmologici. Il gruppo ha sviluppato un metodo che li include e lo ha applicato al terzo rilascio di dati del Parkes Pulsar Timing Array: circa 18 anni di osservazioni di 32 pulsar al millisecondo con il radiotelescopio di Parkes, in Australia, di cui 30 usate nell’analisi.
Due bersagli ai confini del tempo
Oltre a una ricerca su tutto il cielo, gli autori hanno puntato due oggetti precisi. Il primo è il quasar J0100+2802, a redshift 6,3, che vediamo com’era meno di un miliardo di anni dopo il Big Bang e ospita uno dei buchi neri più massicci noti a quell’epoca. Il secondo è JADES-GS-z14-0, a redshift 14,3, una delle galassie più lontane mai confermate dal telescopio Webb, la cui luce è partita circa 300 milioni di anni dopo il Big Bang.
In nessuno dei due casi è emerso un segnale. Questo permette però di escludere, in entrambe le direzioni, la presenza di coppie con una “massa di chirp” (la combinazione delle due masse che determina l’intensità del segnale) pari o superiore a circa 10 miliardi di masse solari, su tutta la banda di frequenze esplorata. Nella ricerca su tutto il cielo i limiti scendono a qualche miliardo di masse solari nella banda più sensibile. Secondo gli autori sono i vincoli più stringenti finora ottenuti su coppie di buchi neri oltre redshift 6.
Che cosa ci aspetta
Non è una scoperta, ma è un risultato significativo: dimostra che le pulsar possono già oggi dire qualcosa sui buchi neri dell’Universo neonato, in un’epoca in cui Webb continua a trovare buchi neri sorprendentemente massicci. Lo studio mostra anche che, se una coppia del genere esistesse e venisse rilevata, sarebbe possibile localizzarla nel cielo e misurarne le proprietà: in una simulazione, aggiungere sei pulsar con distanze ben note restringe l’area di cielo da esplorare da quasi 570 a circa 19 gradi quadrati.
Con l’arrivo dello Square Kilometre Array, il grande radiotelescopio internazionale in costruzione tra Australia e Sudafrica, le reti di pulsar diventeranno molto più sensibili. E chissà che un giorno, tra i ticchettii di questi orologi cosmici, non emerga davvero il canto di due buchi neri giganti che danzavano quando l’Universo era appena nato.
Stefano Camilloni
Riferimento scientifico: Chen Y., Zhao S.-Y., Zhu X. et al., Nanohertz Gravitational-Wave Constraints on Supermassive Binary Black Holes at Cosmic Dawn, Physical Review Letters (2026).
DOI: https://doi.org/10.1103/5z5g-shly
Fonte: Phys.org; approfondimento: preprint su arXiv
