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LIGO: non c'è due senza tre (e Virgo si fa desiderare)!

Il nuovo segnale osservato dalle antenne di Hanford e Livingston; a sinistra gli spettrogrammi (frequenza vs tempo, con le intensità codificate dai colori), a destra il confronto tra i due segnali e il modello di BH merging (in nero)
Il nuovo segnale osservato dalle antenne di Hanford e Livingston; a sinistra gli spettrogrammi (frequenza vs tempo, con le intensità codificate dai colori), a destra il confronto tra i due segnali e il modello di BH merging (in nero) Crediti: Caltech/MIT/LIGO Lab

La collaborazione LIGO-VIRGO ha appena annunciato la scoperta di un terzo segnale di onde gravitazionali dalla fusione di due grossi buchi neri, rilevato lo scorso 4 Gennaio.

 Ieri era già circolata la voce di una conferenza stampa imminente e oggi, puntualmente, l'osservatorio LIGO ha confermato la sua terza (forse la quarta) osservazione di onde gravitazionali nel giro di 18 mesi! Al momento dell'osservazione, le due antenne gravitazionali si trovavano nel pieno del secondo ciclo di osservazioni, iniziato lo scorso 30 Novembre dopo che una serie di migliorie tecniche ne avevano incrementato la sensibilità del 20% circa.

 Il nuovo evento è stato osservato dalle due antenne alle 10∶11:58.6 UTC del 4 Gennaio scorso e perciò è stato ribattezzato GW170104. Il treno di oscillazioni ha prima investito l'interferometro di Hanford e, tre millisecondi più tardi, è toccato all'antenna di Livingston. L'intero evento è durato 0.12 secondi (un battito di palpebre) e ha raggiunto una intensità massima (strain) pari a 5·10-22, come si vede nei grafici qui sopra. In pratica, questo significa che le masse sospese alle estremità dei bracci dell'interferometro (lunghi 3 km) hano subito uno spostamento dell'ordine di 1,5 attometri (1,5·10-18 m), un migliaio di volte più piccolo di un protone!

 Dal punto di vista della significatività statistica, l'evento aveva una intensità pari a circa 13 volte quella del rumore strumentale di fondo; da questo punto di vista, era paragonabile alla seconda onda gravitazionale rilevata il 26 Dicembre 2015 e meno "pulita" ripetto a quella più famosa del 14 Settembre di quell'anno. In ogni caso, è estremamente improbabile che il segnale fosse dovuto al semplice rumore, poichè un evento simile si verificherebbe casualmente solo ogni 70000 anni. Molto meno netta rimane invece la significatività dell'evento osservato il 12 Ottobre 2015, riportato comunque con un tratteggio nel seguente diagramma.

BHmassChartGW17e

Diagramma puntualmente aggiornato delle masse dei buchi neri stellari conosciuti; a sinistra quelli rivelati dall'emissione di raggi X, a destra quelli osservati da Virgo. - Image credit: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet) - Processing: M. Di Lorenzo

 Dalla forma del segnale, messo a confronto con gli attuali modelli di coalescenza, si deduce che i due buchi neri dovevano avere masse di circa 31 e 19,5 masse solari rispettivamente (per la precisione, c'è una probabilità del 90% che la massa del primo fosse nell'intervallo 25,2÷39,6 M e 13,5÷24,7 M per il secondo). Sommando le due masse, il buco nero risultante dovrebbe contenere oltre 50 masse solari, mentre in realtà ne possiede 2 in meno perchè il rimanente si è convertito in energia durante le frenetiche fasi finali, liberando onde gravitazionali che, per una frazione di secondo, hanno superato la potenza emessa da tutti gli astri nell'universo! Partendo da questo dato e considerando l'intensità del segnale osservato, si deduce che il cataclisma è avvenuto a una distanza compresa tra 1,6 e 4,3 miliardi di anni luce (il valore più probabile è 880 Megaparsec, circa 2,85 miliardi di anni luce).

 Appena rilevato il segnale, un allarme è stato diffuso alla rete di 77 osservatori sparsi per il mondo (un paio anche in orbita) al fine di rilevare una possibile controparte dell'evento nello spettro elettromagnetico. Anche in questo caso, però, non c'è stata nessuna rilevazione e questo non deve sorprendere per due buoni motivi. Il primo è che, in base ai modelli teorici, la stragrande maggioranza dell'energia dovrebbe venire emessa come onde gravitazionali dato che i buchi neri tendono a inghiottire la luce. L'altro motivo è legato all'incertezza sulla posizione nella volta celeste: disponendo solo delle due antenne LIGO, purtroppo, la possibile posizione della sorgente cadeva in un due aree a forma di banana ampie 1200 gradi quadrati, circa 6000 volte le dimensioni apparenti della luna piena! Di fatto, è come cercare un ago in un pagliaio, ma le cose dovrebbero migliorare nettamente appena l'antenna italiana Virgo rientrerà in funzione e avremo i segnali visti da 3 interferometri molto lontani tra loro, come ben illustrato nella simulazione qui sotto (a destra). Peccato che questo non sia avvenuto specialmente in questa occasione, perchè l'incertezza si sarebbe ridotta addirittura a un solo grado quadrato o 5 lune piene, un'area molto più gestibile...

Localization map Virgo

 A sinistra, le aree di incertezza dei tre eventi osservati da LIGO proiettati sulla volta celeste; a destra, una simulazione di come migliorerebbe la situazione disponendo dei dati dell'antenna Virgo - Crediti: Ligo / Caltech / Mit /Leo Singer (Milky Way image: Axel Mellinger)

 Un'altra osservazione interessante fatta sulla base dei due segnali riguarda l'orientamento dei buchi neri. Per la prima volta, la forma delle onde gravitazionali indicano una asimmetria nel sistema binario, nel senso che almeno uno dei due buchi neri doveva avere un asse di rotazione con orientamento nettamente lontano dalla perpendicolare al piano orbitale, una indicazione importante sul modo in cui deve essersi formato il sistema binario.

 Infine, i ricercatori che hanno redatto l'articolo hanno approfittato della grande distanza di GW170104 (circa il doppio di GW150914) per testare la Relatività Generale; in particolare, hanno posto nuovi limiti stringenti all'eventuale dispersione delle onde gravitazionali e alla massa dei gravitoni, che sarebbe inferiore a 7.7×10−23  eV/c2. Ancora una volta, a quanto pare, Einstein aveva ragione!

Riferimenti:
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20170601
http://www.media.inaf.it/2017/06/01/ligo-gw170104/

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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