Scritto: Venerdì, 01 Maggio 2020 07:40 Ultima modifica: Sabato, 09 Maggio 2020 17:37

Una fusione sbilanciata


Uno dei primi segnali osservati all'inizio del ciclo O3, oltre un anno fa, è risultato essere il prodotto di una insolita fusione tra due buchi neri con masse molto diverse. Intanto, da oggi, Virgo ha un nuovo portavoce italiano...

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Due fotogrammi dalla spettacolare animazione che rappresenta in falsi colori l'intensità delle onde gravitazionali prodotte da GW190412; l'ingrandimento a destra mostra l'istante esatto in cui i due orizzonti degli eventi si fondono. Notare, all'estremità inferiore, la forma d'onda generata. Due fotogrammi dalla spettacolare animazione che rappresenta in falsi colori l'intensità delle onde gravitazionali prodotte da GW190412; l'ingrandimento a destra mostra l'istante esatto in cui i due orizzonti degli eventi si fondono. Notare, all'estremità inferiore, la forma d'onda generata. Credit: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration - Processing: Marco Di Lorenzo

 Le osservazioni compiute finora sulle onde gravitazionali hanno mostrato che i 2/3 di esse provengono fenomeni di "merging" (fusione) di coppie di buchi neri, con masse tipiche qualche decina di volte quella solare; ricordiamo che in questi fenomeni estremi, i due corpi collassati orbitano uno intorno all'altro per milioni di anni emettendo onde gravitazionali, dapprima deboli ma poi sempre più intense. Perdendo energia essi si avvicinano spiraleggiando uno verso l'altro e, nelle ultimissime fasi che precedono la fusione, il periodo di rivoluzione scende a pochi centesimi di secondo; questo significa che i due corpi collassati si muovono quasi alla velocità della luce, accelerando freneticamente e convertendo una frazione significativa della loro massa in radiazione gravitazionale; questa viene poi rivelata dai sensibilissimi interferometri sulla Terra, a centinaia o migliaia di milioni di anni luce di distanza, e la forma e l'intensità dell'onda osservata permettono di risalire alla natura dei due corpi, alla loro massa e alla loro distanza, tra le altre cose.

Masses O1O2 

I valori di massa iniziali e finali, nei fenomeni di merging osservati nei primi due cicli osservativi O1,O2 - Credits: LIGO-Virgo collaboration  Processing: Marco Di Lorenzo

 Come illustrato qui sopra, nei 10 eventi di merging tra buchi neri osservati nelle prime due campagne di osservazione, le masse dei due oggetti collassati erano sempre abbastanza vicine tra loro; la cosa è ancora più evidente nel grafico seguente, dove si vede come il rapporto tra le masse è sempre inferiore a 2.

GW massratio O1O2b

I valori di massa per ogni coppia di buchi neri osservati nei cicli O1,O2  le rette si riferiscono ad un rapporto costante tra le due masse - Credits: LIGO-Virgo collaboration  Processing: Marco Di Lorenzo

 Questa regola delle due masse confrontabili, però, è stata infranta con l’osservazione della fusione in un sistema molto speciale, che è poi il secondo evento osservato durante il terzo ciclo di osservazioni. Infatti, il 12 aprile 2019 alle 05:30:44 UTC, appena undici giorni dopo l’inizio della campagna O3, l'antenna "Advanced Virgo" in Italia e i due rivelatori "Advanced LIGO" in USA hanno rilevato un segnale inequivocabile, inizialmente battezzato S190412m e ora denominato GW190412; la significatività del segnale è stata stimata, in termini statistici, pari a circa 19σ e questo corrisponde a una probabilità estremamente ridotta che si trattasse di un falso allarme, frutto di una fluttuazione del rumore (praticamente, una possibilità ogni 19 miliardi di miliardi di anni!).

GW190412 Map2

Mappa del cielo in coordinate equatoriali (in alto) e mappe tridimensionali (in basso), con la distribuzione di probabilità sulla posizione della sorgente per GW190412 - Credits: LIGO-Virgo collaboration  Processing/Improvement: Marco Di Lorenzo

 La mappa qui sopra, prodotta un'ora dopo la rilevazione del segnale all'interno del bollettino diramato agli osservatori di tutto il mondo, indica la posizione più probabile della sorgente osservata da LIGO e Virgo e anche la sua possibile distanza, basata su un modello standard di merging. Tale distanza era basata sul caratteristico andamento della frequenza dell'onda nel tempo, mostrato qui sotto; nelle misure di Hanford e, soprattutto, di Livingston si vede l'inconfondibile impronta "chirp" tipica della fusione di un sistema binario di buchi neri, con una brusca impennata nelle fasi finali e una durata complessiva inferiore a mezzo secondo; qui è possibile ascoltare la trasposizione in banda udibile del segnale (si tratta in realtà di una versione "ripulita" dal rumore e basata sui modelli teorici). Virgo non ha rilevato un segnale significativo e queste differenze sono da attribuire, oltre che alla diversa sensibilità dei rivelatori, anche al particolare orientamento dei bracci rispetto alla direzione di propagazione e alla "polarizzazione" dell'onda. Questa sfortunata situazione si era già verificata per il segnale prodotto dalla celebre "kilonova" del 2017 ma, in ogni caso, anche la mancata rilevazione del segnale da parte di un'antenna possiede un valore scientifico perchè pone precisi limiti, soprattutto sulla direzione di provenienza.

GW190412 signal

Intensità del segnale in funzione del tempo e della frequenza nei tre rivelatori in funzione - Credits: LIGO-Virgo collaboration  Processing: Marco Di Lorenzo

 Come descritto in un articolo scientifico, uscito pochi giorni fa su ArXiv e scritto congiuntamente dai ricercatori del consorzio Virgo e della collaborazione LIGO, le forme d'onda osservate (riportate di seguito) indicano che la più grande delle due masse era almeno 3 volte maggiore dell’altra. Più in dettaglio, i buchi neri che si sono fusi avevano masse rispettivamente di 24,4÷34,4 e 7,4÷10,2 volte la massa del Sole; i valori più probabili sono 29,7 e 8,4 masse solari. Valori che, presi singolarmente, non sono certo insoliti tra gli eventi di merging osservati in precedenza ma che sono decisamente differenti tra loro: un rapporto compreso tra 2,5 e 5 con 3,5 come valore più probabile.

gw190412 Waveforms

Le forme d'onda registrate contemporaneamente nei tre rivelatori (curve nere) messe a confronto con i vari modelli - Credits: LIGO-Virgo collaboration  - Processing/improvement  Marco Di Lorenzo

 "I rivelatori Virgo e LIGO stanno diventando sempre più sensibili, la frequenza delle osservazioni sta aumentando e ci aspettiamo eventi nuovi e insoliti. GW190412 è insolito e interessante a causa della grande differenza di massa tra i due buchi neri coalescenti. Stiamo imparando che sistemi di questo tipo esistono e quanto sono rari. Questo ci permetterà di dedurre come si sono formati, una cosa che trovo davvero entusiasmante", dice Giancarlo Cella, ricercatore dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), e Coordinatore della Analisi Dati di Virgo.

 La differenza di massa produce una modulazione caratteristica del segnale, predetta dalla teoria, ma osservata ora per la prima volta. Rispetto alla classica radiazione di "quadrupolo" prevista nei lavori pionieristici di Einstein ed esaminata successivamente da Newman, Penrose, Thorne ed altri, qui lo sbilanciamento di massa produce una componente nei cosiddetti "modi di ordine superiore" con intensità insolitamente alta. Questi picchi sono indicati con intensità crescente andando dal blu al rosso, sia nella figura d'apertura che in quella qui sotto.

gw190412 NRsimV3

Un fotogramma della simulazione (animazione visibile in fondo all'articolo) da cui è tratta anche l'immagine di apertura. Qui siamo in una fase che precede di qualche orbita la coalescenza e si vede anche l'asse di rotazione del buco nero maggiore, la cui orientazione  sembra variare continuamente rispetto al piano orbitale. - Credit: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration - Processing: Marco Di Lorenzo

  Ci sono altri parametri del sistema binario che causano modulazioni misurabili nel segnale e che ci permettono di mettere dei vincoli su altre proprietà normalmente difficili da misurare. Nel grafico sottostante, è messa in rilievo la relazione tra la distanza di GW190412 (dedotta dall'intensità del segnale) e l’angolo d’inclinazione orbitale rispetto la linea di vista; in generale le due quantità sono tra loro strettamente correlate ma, in questo caso, le masse diverse dei buchi neri ci permettono di discriminarle almeno parzialmente. Secondo il modello più completo, che tiene conto dei modi di oscillazione più elevati e anche della precessione nell'asse di rotazione del buco nero maggiore, la distanza più probabile è intorno a 740 Mpc (2.4 miliardi di anni luce) mentre il valore più verosimile per l'orientamento dell'asse è circa 40° rispetto alla linea di vistaGW190412e

Distribuzioni di probabilità per i valori di "distanza di luminosità" e di inclinazione del momento angolare totale rispetto alla linea di vista, in base ai vari modelli; in verde i valori più probabili - Credits: LIGO-Virgo collaboration  - Processing/improvement  Marco Di Lorenzo

  "Le masse diverse di questa sorgente fanno sì che le armoniche del segnale principale siano visibili per la prima volta. Questo ci dà una nuova opportunità di mettere alla prova un’importante predizione della teoria di Einstein nel caso della collisione di due buchi neri di massa diversa", dice Anuradha Samajdar, post-doc al Dutch National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) e membro della Collaborazione Virgo.

 Nel grafico sottostante, sono messi a confronto i valori finali della massa e dello spin desunti dall'interpolazione dei dati osservati. Le variazioni relative in queste due quantità sembrano deviare dallo zero, valore previsto dalla relatività generale e indicato dalla croce in grassetto. Tuttavia, se si guarda alla densità di probabilità, questa deviazione si discosta per 1σ o poco più dal valore previsto e questo implica una probabilità non trascurabile (circa il 30%) che la deviazione sia solo frutto dell'incertezza nella misura; di fatto, le osservazioni vengono considerate in buon accordo con le previsioni di Einstein.

GW190412 Masspin residuals

Distribuzioni di probabilità per i valori di spin e massa residua dopo il merging (il contorno più marcato indica un intervallo di confidenza del 95%) - Credits: LIGO-Virgo collaboration  - Processing/improvement  Marco Di Lorenzo

 Come sottolineano gli autori, anche se quello osservato è un contro-esempio, rimane l'impressione che i buchi neri tendano a formare coppie "simmetriche" con masse comparabili; se questa tendenze è reale o meno lo diranno le future analisi sui dati raccolti durante l'intero ciclo O3. La questione si lega anche al meccanismo di formazione del sistema binario; ad esempio, la presenza di coppie asimmetriche è sfavorita nel meccanismo di cattura reciproca di due buchi neri che non nascono nello stesso sistema binario ma si sono formati altrove e si incontrano in una regione ad elevata densità stellare, come un ammasso globulare.

 Finora, comunque, si è esplorata solo la punta dell'Iceberg, dato che si sono analizzati a fondo solo i primi due eventi del ciclo O3 (l'altro è un merging tra stelle di neutroni GW190425, di cui parlammo a gennaio); ci sono ancora più di 50 segnali da esaminare e le sorprese, nei prossimi mesi, non mancheranno! Di sicuro, non ci annoieremo prima che inizi il ciclo O4, nel 2022!

 Nel frattempo, sulla base dei "diari di bordo" quotidiani stilati dai tecnici, GEO600 e Kagra continuano ancora a funzionare, sebbene con una ridotta sensibilità e quindi un raggio d'azione molto limitato; tipicamente, l'interferometro tedesco non va oltre 3 milioni di anni luce, mentre quello nipponico si ferma a soli 2 milioni di anni luce. Per confronto, quando era in funzione, Virgo raggiungeva una portata di 200 milioni di anni luce, mentre le due antenne americane si spingevano fino a 400-500 milioni di anni luce. Va sottolineato che questo raggio d'azione è riferito a una tipica fusione tra stelle di neutroni, mentre per una coppia di buchi neri il numero va aumentato di circa 10 volte, data la maggiore intensità del segnale. Comunque, a meno di coincidenze fortunose, è improbabile che i due strumenti in funzione possano rivelare nuovi eventi nell'arco dell prossime settimane, cioè fino a quando l'antenna giapponese verrà fermata per ulteriori lavori di potenziamento in vista dell'inizio del ciclo osservativo O4.

 Una ultima novità riguarda Virgo: da oggi, infatti, è entrato in carica un nuovo portavoce per l'osservatorio di Cascina. Si tratta di Giovanni Losurdo, dirigente di ricerca dell'INFN e già Project Leader durante i lavori di potenziamento "Advanced Virgo". Losurdo succede in questo ruolo all'olandese Jo van den Brand, e rappresenta i 550 scienziati, ingegneri e tecnici della collaborazione, provenienti da oltre 100 istituzioni in 10 diversi paesi europei. 

Losurdo

Giovanni Losurdo con, alle spalle, uno dei due bracci dell'interferometro Virgo - Credits: EGO/Virgo consortium

 "Adesso ci aspettano nuove sfide – ha dichiarato il neo-eletto "spokesperson" - a partire da un significativo aggiornamento tecnologico del rivelatore, grazie a cui puntiamo, nella prossima fase di presa dati, a esplorare una porzione di cosmo sempre più grande, osservando, ad esempio, fusioni di stelle di neutroni fino a 300 milioni di anni luce da noi. Dovremo, inoltre, rendere sempre più efficaci le collaborazioni e le relazioni con altre comunità di fisici e astronomi, per comprendere sempre meglio la fisica dietro gli eventi che riveliamo, per lo sviluppo dell’astronomia multi-messaggera e la messa a punto delle tecnologie per un rivelatore di nuova generazione, il cosiddetto Einstein Telescope".

 I migliori auguri anche da parte nostra! 

 

Riferimenti:
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20200420
httt://www.virgo-gw.eu/
https://arxiv.org/pdf/2004.08342.pdf

Altre informazioni su questo articolo

Read 256 times Ultima modifica Sabato, 09 Maggio 2020 17:37
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!

https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58 | Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

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