Si torna a parlare di onde gravitazionali, dopo una pausa durata quasi 2 anni in cui i tre rivelatori più sensibili (le due antenne americane LIGO e l'italiana VIRGO) erano rimaste ferme per un radicale aggiornamento hardware che dovrebbe aumentarne il volume di spazio osservato (e la frequenza di eventi) di circa 3 volte.
Ai primi di Dicembre era stato pubblicato un catalogo aggiornato di eventi osservati, basato su uno studio approfondito delle osservazioni svolte nelle campagne osservative del 2015 e 2017 da parte di Ligo e Virgo; erano stati annunciati 4 nuovi eventi "merging" di buchi neri il cui numero totale sale a 10. Se consideriamo anche la fusione di due stelle di neutroni, il totale è di 11 eventi osservati nell'arco di 10 mesi (di cui ben 5 nel corso dell'ultimo mese di osservazioni). Di seguito una illustrazione statica tratta dal video che mostra tutti i "Black Hole merging" osservati finora, sulla base dei modelli teorici; sono tutte coppie di buchi neri, a cui bisogna aggiungere l'eccezionale evento GW170817 di fusione tra due stelle di neutroni che ha decretato la nascita della cosiddetta "astronomia multi-messaggera".
I 10 sistemi binari di buchi neri sul punto di fondersi e le corrispondenti onde generate. - Credits: Teresita Ramirez/Geoffrey Lovelace/SXS Collaboration/LIGO-Virgo Collaboration
Come si ricorderà, LIGO ha compiuto la sua prima serie di osservazioni in 5 mesi a cavallo tra il 2015 e il 2016 (tra il 12 Settembre e il 19 Gennaio), scoprendo i primi tre eventi di fusione tra buchi neri mai osservati ("Black Hole merging"). Nella seconda campagna osservativa (O2), altri 150 giorni tra il 30 Novembre 2016 al 25 Agosto 2017 di cui gli ultimi 20 in contemporanea con l'antenna nostrana Virgo, vennero scoperti ben 8 eventi, tra cui la già citata fusione tra due stelle di neutroni. Tali eventi, se sommati ai precedenti, indicano una frequenza di osservazione di oltre 1 evento al mese; frequenza che dovrebbe avvicinarsi a un evento ogni 7-10 giorni ogni settimana quando, a breve, inizierà il terzo run di osservazioni con le tre antenne potenziate. Nel ciclo O3, le collaborazioni LIGO e Virgo registreranno continuamente dati scientifici per un anno intero e i tre rivelatori funzioneranno assieme come un unico osservatorio mondiale.
A sinistra, rumore delle tre antenne gravitazionali in funzione della frequenza; a destra i progressi sulla portata dell'antenna Virgo in funzione della data (in rosso, per comparazione, il livello durante la campagna O2) - Credits: EGO Collaboration/LIGO-Virgo Collaboration. Processing: Marco Di Lorenzo
Come si può dedurre dal diagramma qui sopra a destra, e come dichiarato da Alessio Rocchi (ricercatore della sezione INFN di Roma Tor Vergata, e coordinatore della messa in funzione di Virgo), "rispetto al secondo periodo di osservazione O2, la sensibilità’ di Virgo è quasi raddoppiata; ciò significa che il volume di Universo osservabile è aumentato di otto volte". Su Ligo l'aumento di sensibilità sarà più contenuto, intorno al 40%, ma le due antenne americane erano già 3-5 volte più sensibili di Virgo, come mostrato nel grafico a sinistra.
"La qualità dei dati raccolti dagli strumenti è un fattore determinante per rivelare i segnali di onde gravitazionali sommersi dal rumore e misurarne le proprietà’", ha detto Nicolas Arnaud, ricercatore del CNRS "E’ stato fatto un grande progresso dalla fine di O2, grazie allo sforzo coordinato della collaborazione intera, dagli strumentisti agli analizzatori dei dati."
Una ricercatrice accanto al deflettore (baffle) di Advanced LIGO - Credits: IGO/Caltech/MIT/Matt Heintze
Ci si aspetta da O3 una produzione scientifica eccezionale, inclusa la potenziale rivelazione di nuovi fenomeni, come la fusione di sistemi binari misti formati da una stella di neutroni ed un buco nero oppure flebili segnali continui, prodotti da stelle di neutroni asimmetriche. Per agevolare la pronta osservazione delle controparti nelle varie bande dello spettro elettromagnetico, è stato approntato anche un nuovo software capace di inviare segnali pubblici di allerta (Open Public Alerts) entro cinque minuti dalla rilevazione di un candidato segnale.
Durante il fermo di 20 mesi, sia LIGO che Virgo sono stati migliorati e messi alla prova. In particolare Virgo ha sostituito tutti i fili di acciaio con cui erano sospesi i quattro specchi principali dei bracci di 3 km dell’interferometro, con sottili fibre di quarzo amorfo. Questo cambiamento ha permesso di aumentare la sensibilità nella regione di bassa e media frequenza, con un impressionante miglioramento della capacità di rivelare coalescenze di sistemi binari compatti. Un secondo fondamentale progresso è stata l’installazione di un laser più potente, migliorando la sensibilità ad alta frequenza. Infine, grazie alla collaborazione con l’Albert Einstein Institute di Hannover, in Germania, si potranno iniettare nell'interferometro stati di vuoto compressi (‘squeezed vacuum states’), una tecnica che sfrutta le proprietà quantistiche della luce per migliorare la sensibilità ad alta frequenza.
In conclusione, con Advanced Ligo e Advanced Virgo l'astronomia gravitazionale di seconda generazione diventerà finalmente adulta ed entrerà in una fase proficua ed esaltante, con scoperte che adesso possiamo a malapena immaginare. Questo sarà ancora più vero con l'estendersi della ricerca grazie ai nuovi rivelatori, uno in via di ultimazione in Giappone e l'altro, gemello di LIGO, che entrerà in funzione tra in India qualche anno; per non parlare dell'antenna spaziale ELISA e della futura, avveniristica antenna di terza generazione europea, l' "Einstein Telescope" che potrebbe sorgere in Sardegna.
Riferimenti:
https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20181203v1
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20190227
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