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Onde gravitazionali: Virgo ce l'ha fatta!

Diagrammi dei segnali (rapporto segnale/rumore8, spettrogramma e forma d'onda) relativi all'evento GW170814, nei tre rivelatori di Hanford, Livingston e Cascina.
Diagrammi dei segnali (rapporto segnale/rumore8, spettrogramma e forma d'onda) relativi all'evento GW170814, nei tre rivelatori di Hanford, Livingston e Cascina. Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory

Mentre il mondo scientifico aspetta trepidante il probabile conferimento del Nobel per la scoperta di onde gravitazionali, l'interferometro italo-francese si unisce finalmente al club di antenne che hanno effettivamente "visto" questi segnali prodotti dalla fusione di buchi neri, dando un contributo fondamentale al loro studio.

 Tra cinque giorni verrà conferito il premio Nobel per la Fisica e, tra gli addetti ai lavori, c'è quasi la certezza che quest'anno a vincerlo sarà il consorzio Ligo per la rivelazione diretta delle Onde Gravitazionali, previste da Einstein cento anni prima. Lo storico annuncio, come si ricorderà, era stato fatto già a Febbraio dell'anno scorso, seguito poi a Giugno da un secondo evento e, dopo un anno, un terzo; evidentemente, però, l'accademia di Stoccolma si è presa del tempo per vagliare bene i risultati e, intanto, l'anno scorso il premio è andato a tre ricercatori americani per gli studi sulle esotiche transizioni di fase topologiche della materia.

 Nell'attesa, ieri è stato fatto un nuovo clamoroso annuncio: anche l'antenna VIRGO, situata a Cascina vicino a Pisa, ad Agosto è riuscita a vedere un segnale (e forse più di uno) di "black-hole merging" in contemporanea alle sue sorelle d'oltreoceano! A dire il vero, la notizia non è stata una vera sorpresa perchè la voce ufficiosa circolava già da un mese; adesso però si conoscono i dettagli di questa osservazione e le prospettive sono davvero esaltanti per il futuro. Questo il filmato della conferenza stampa tenutasi a Torino, nell'ambito della riunione ministeriale G7.

virgo

Il rivelatore Virgo - Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory

 Vediamo i dettagli della rivelazione: il segnale (denominato GW170814) è arrivato alle 10:30:43 (Tempo Universale) del 14 Agosto ed ha investito prima l'antenna di Livingston; 8 millisecondi dopo è arrivato anche ad Hanford e 14 ms dopo a Cascina; come vedremo, questi ritardi svolgono un ruolo fondamentale nello stabilire la direzione di provenienza del segnale, che si propaga alla velocità della luce. Dalla forma temporale dell'onda (visibile nell'immagine di apertura) si tratta dell'ormai classico "chirp" emesso da due buchi neri di massa stellare che si fondono, perdendo la loro energia potenziale gravitazionale in favore dell'emissione di onde gravitazionali sempre più intense e con frequenza crescente, legata alla frequenza del moto di rivoluzione. In base ai modelli elaborati precedentemente, i due corpi dovevano avere masse di 21÷28 e 28÷36 masse solari, rispettivamente; il buco nero risultante ha una massa di 51÷56 masse solari, con un deficit di 2,4-3,1 masse solari rispetto al valore  iniziale a causa, appunto, della trasformazione della massa in radiazione gravitazionale, nelle ultime fasi di coalescenza. Il modello, combinato con l'intensità del segnale, suggerisce una distanza della sorgente compresa tra 1,1 e 2,2 miliardi di anni luce ed una potenza di picco di 3,2÷4,2·1049 Watt.

BHmassChartGW092017

Comparazione tra i diversi merging osservati fino ad oggi (a sinistra in basso le coppie di buchi neri studiate con i raggi X, tutte di massa contenuta) - Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory

 Di seguito, un filmato che illustra le fasi finali dell'evento di merging con emissione di onde gravitazionali; i colori, come pure l'altezza delle ondulazioni, indicano l'intensità della radiazione gravitazionale emessa (opportunamente riscalata istante per istante); le dimensioni dei buchi neri sono state esagerate di un fattore 2 per renderli più visibili e si riconoscono bene le tre fasi di emissione: lo spiraleggiamento, la fusione (con l'emissione più intensa) e il "ringdown" finale dovuto all'assestamento del buco nero risultante.

Education video - Credit S. Ossokine/A. Buonanno/T. Dietrich (MPI for Gravitational Physics)/R. Haas (NCSA)/SXS project

 L'entità della deformazione (strain) prodotta dal passaggio dell'onda gravitazionale era circa 6·10-22 , il che si traduce in una variazione dell'ordine di 1 attometro (10-18 m) nella lunghezza di un braccio dell'interferometro. Osservando i grafici in apertura, si capisce come il segnale sia "forte e chiaro" solo nel caso del rivelatore di Livingston, dove il rapporto segnale/rumore ha quasi raggiunto il valore 14; nel caso di Virgo, invece, il segnale appare quasi "affogato" nel rumore (S/N≈4) ma la probabilità che esso sia frutto di una oscillazione casuale è comunque piuttosto bassa (0,3%). Nel complesso, una simile coincidenza di 3 segnali si presenterebbe per caso soltanto ogni 27000 anni, dunque è decisamente significativa!

 La novità più esaltante, comunque, è il fatto che, grazie alla presenza di 3 antenne così distanziate è stato finalmente possibile restringere in una regione di cielo relativamente contenuta la posizione della sorgente; si tratta di una zona ovale di circa 60 gradi quadrati (senza Virgo sarebbero stati quasi 1200), situata nella costellazione di Eridiano (per gli astrofili, AR=3h11m, dec=-44°57'). Anche se molti osservatori terrestri e spaziali sono stati messi in allerta e hanno esplorato quella regione nelle ore successive, a quanto pare nessuno di essi ha rilevato una controparte nello spettro elettromagnetico. In compenso, l'analisi del segnale ha superato tutti i test di correttezza della relatività generale e non ci sono indizi di dispersione delle onde gravitazionali (ritardi temporali in funzione della frequenza).

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La volta celeste con le regioni d'origine degli eventi fino ad oggi osservati - Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory

 Vale la pena osservare che il segnale è stato osservato a metà del periodo di raccolta dati congiunta da parte di Ligo e Virgo, durata solo 4 settimane. Adesso tutti e 3 i rivelatori sono stati di nuovo spenti per l'ennesimo aggiornamento dell'hardware che durerà almeno un anno e che dovrebbe portare a un raddoppio della sensibilità. Può sembrare poca cosa, ma in realtà questo si tradurrà in un aumento di 8 volte nel volume di universo osservato e quindi nella cadenza degli eventi osservati, che potrebbe diventare settimanale o anche più frequente. Certo, forse prima di disattivare tutto sarebbe stato bello aspettare un pò per avere qualche osservazione in più, tuttavia Virgo è entrato in funzione in forte ritardo rispetto a quanto pianificato (quasi un anno) e i lavori di aggiornamento erano ormai impellenti. In ogni caso, i dati raccolti ad agosto sono ancora in via di analisi e non è escluso che ci siano ulteriori novità!

 Ricordiamo che il rivelatore Virgo ha sede nell "European Gravitational Observatory" (EGO), fondato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese, con un contributo di altri paesi europei come la Germania. Insieme a LIGO, forma una collaborazione internazionale e un unico osservatorio "world-wide" di onde gravitazionali; i vari istituti coinvolti da entrambi i lati dell'oceano hanno collaborato strettamente sin dalla fase di sviluppo dei rivelatori e del software, come pure nell'analisi dei dati raccolti. Un esempio mirabile di collaborazione e trasparenza, in un'epoca in cui rivalità politico-militari, fanatismi arcaico-religiosi e chiura dei confini sembrano farla da padroni in molte parti del mondo!

 

Riferimenti:
http://www.media.inaf.it/2017/09/27/unonda-per-tre/

 

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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!

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