Il quarto ciclo di osservazione delle onde gravitazionali tramite interferometri è iniziato il 24 maggio e quindi, ieri 1 settembre, ha completato i primi 100 giorni di attività. Il "Run" doveva inizialmente coinvolgere 4 strumenti, ovvero le due antenne LIGO in USA, Virgo in Italia e Kagra in Giappone. Il ciclo O4 è iniziato tre anni dopo la chiusura anticipata (causa lockdown) del ciclo O3, con 5-6 mesi di ritardo rispetto alle previsioni iniziali che indicavano una ripartenza di tutte le antenne tra la fine del 2022 e l'inizio del 2023 e un anno di osservazioni ininterrotte. Nel frattempo, però, i piani sono cambiati e adesso O4 dovrebbe durare 20 mesi, compresa però una pausa di 2 mesi al massimo per la manutenzione degli strumenti. Ma non tutto è andato come previsto.
Una ripartenza in tono minore
I rilevatori LIGO di Hanford (LHO) e Livingston (LLO) hanno ripreso servizio alla data prevista, funzionando correttamente e con una buona percentuale di tempo dedicato alle osservazioni. Ad esempio, il diagramma che vediamo qui sotto, riferito a metà giugno, mostra i periodi di osservazione delle due antenne (tratti di spessore maggiore) e le corrispondenti sensibilità, espresse come distanza limite alla quale è possibile rivelare un segnale emesso dalla fusione di due stelle di neutroni (in milioni di Parsec). Si nota in generale una performance nettamente migliore dell'antenna di LLO su entrambi i fronti, segno che questo interferometro si trova a lavorare in un ambiente comunque meno rumoroso ed è affetto da meno problematiche rispetto al suo gemello; questa non è una novità perchè un differenza simile era stata osservata già durante il ciclo precedente.
Data Source: Ligo-Virgo collaboration/gw-openscience.org - Processing: Marco Di Lorenzo
La sensibilità dell'interferometro LHO è stata comunque ulteriormente migliorata in modo incrementale ed ora il raggio d'azione delle due antenne risulta molto vicino a 150 e 160 Mpc, rispettivamente. Proseguono i lavori per aumentare l'utilizzo temporale, in particolare per LHO e si continua anche a cercare modi per migliorare la sensibilità nel corso della campagna. Qui sotto le figure di "strain" ovvero il limite di deformazione spazio-temporale per i due ricevitori, riferito al 29 agosto; non si erano mai registrate curve così basse nei mesi precedenti!
Arriviamo invece alle note dolenti sull'antenna Virgo di Cascina. Come si ricorderà, in occasione dell'inizio della campagna O4, il consorzio EGO/Virgo annunciò che, per il momento, l'antenna situata in Toscana non si sarebbe potuta unire all'indagine in quanto si era deciso di prolungare la fase di "commissioning" al fine di aumentarne la sensibilità.
Dalla fine del periodo di osservazione O3 nel 2020, anticipata a causa del lockdown, l’interferometro Virgo è stato sottoposto a una serie di importanti aggiornamenti in vista del nuovo periodo di osservazione congiunto con gli interferometri LIGO e KAGRA. Ad oggi Virgo sarebbe in grado di osservare eventi analoghi ad alcuni di quelli rivelati nei precedenti periodi osservativi ma, per potersi spingere oltre, è stata necessaria una lunga e intensa caccia alle molteplici fonti di rumore che potrebbero limitare la sensibilità dell’interferometro.
Lo specchio di quarzo rimosso, altamente riflettente alla lunghezza infrarossa del laser utilizzato nell'interferometro Virgo - CREDITI: © CYRIL FRESILLON/LMA/CNRS - VIRGO
Purtroppo, delicati imprevisti tecnici hanno rallentato il processo, soprattutto da alcuni elementi ottici chiave e dalla complessa strumentazione che circonda e controlla gli specchi dell’interferometro. Si è reso quindi necessario un intervento di manutenzione straordinario, che prevedeva l’apertura delle grandi campane ad ultra-alto vuoto e la sostituzione di uno degli specchi, sospesi ai cosiddetti "superattenuatori". Si tratta di torri di pendoli invertiti, alte oltre 10 metri, che smorzano i disturbi esterni e mantengono gli specchi perfettamente immobili. Un’operazione complessa e delicata che richiede diverse settimane di lavoro.
Gli interventi previsti sui due specchi sono stati completati e hanno avuto successo: è stato eliminato il rumore in eccesso proveniente dal magnete di ingresso Ovest e il nuovo specchio all’estremità Nord mostra un miglioramento delle sue caratteristiche meccaniche. Tuttavia, non vi è alcuna prova che il rumore a banda larga, che limita la sensibilità intorno a 100 Hz, sia diminuito dopo la sostituzione dello specchio.
Il ricercatore INFN Valerio Boschi, che fa parte del consorzio EGO per la rivelazione di onde gravitazionali, è stato interpellato al riguardo ed ha spiegato che, attualmente, "siamo in fase di commissioning, ossia di messa a punto, ma la sensibilità purtroppo è inferiore a quella che avevamo nell'ultimo periodo di presa dati [...] O3. Questo non è così strano perché nell'esperimento sono stati cambiati molti componenti (in particolare è stata aggiunta molta ottica per processare la luce del laser in uscita dal rivelatore ed una lente è stata sostituita con uno specchio) ed è stata aumentata la potenza del laser. Per poter entrare in O4, la campagna osservativa attualmente in corso, abbiamo una finestra comunque molto ampia, dato che essa durerà almeno 18 mesi. E' molto probabile che entro l'anno venga presa una decisione riguardo all'ingresso di Virgo. Ci sono tre possibilità in tal senso: entrare con l'attuale seppur limitata sensibilità, apportare delle modifiche al rivelatore ed iniziare una nuova fase di commissioning oppure continuare il commissioning, tenendo l'interferometro nell'attuale configurazione".
Attualmente gli scienziati della Collaborazione Virgo sono impegnati sia nelle attività tecniche sull’esperimento, sia nelle attività scientifiche di analisi dei nuovi dati che stanno arrivando dai due rivelatori LIGO. L'attività di commissioning è focalizzata sulla ricerca di altre possibili sorgenti di rumore e l'obiettivo resta quello di unirsi a O4 entro questo autunno, ma è necessario più tempo per la messa in servizio prima di poter fornire una stima più precisa.
Infine, KAGRA ha ripreso a funzionare regolarmente il 24 maggio ma, come era stato già pianificato, il 3 luglio ha interrotto le osservazioni ed è di nuovo in fase di commissioning. E' infatti necessario migliorarne drasticamente la sensibilità ancora troppo bassa (raggio d'azione di 1 Mpc all’inizio di O4). Quando riprenderà a lavorare la prossima primavera, la sensibilità dovrebbe crescere a circa 10 Mpc e ci si aspetta un'ulteriore miglioramento verso la fine della campagna.
Sulla base di quando abbiamo descritto, ecco una "timeline" aggiornata delle campagne osservative passate e future.
Fig.3) Timeline delle osservazioni, con l'indicazione della distanza entro cui saranno rivelabili fusioni tra stelle di neutroni (BNS) - Credits: Abbott et al. / "Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA" / KAGRA-LIGO-Virgo collaborations - Improvement by Marco Di Lorenzo
Previsioni rispettate?
Pur con tutte queste difficoltà, il ciclo osservativo continua a collezionare eventi e lo sta facendo ad un ritmo decisamente superiore a quello registrato durante la campagna precedente. Durante la seconda parte ciclo O3 (da inizio novembre 2019 a metà marzo 2020), il tasso di rilevamento di segnali significativi e non ritrattati era stato di 1,2 eventi/settimana, imponendo sempre la soglia di significatività FAR pari a quella di un evento prodotto casualmente dal rumore ogni anno. Invece, finora, la campagna O4 ha prodotto 29 eventi significativi e non ritrattati, quasi esattamente 2 a settimana. Si tratta dunque un incremento vicino al 70%, un risultato notevole se consideriamo che, di fatto, è stato ottenuto con sole due antenne funzionanti, a testimonianza dell'ottimo lavoro svolto per potenziarne la sensibilità.
La tabella qui sopra elenca tutti gli eventi in questione e notiamo che, tra essi, due spiccano per la significatività estremamente elevata. Il primo (S230601bf) è comparso solo 8 giorni dopo l'inizio della campagna ed aveva un livello FAR corrispondente a un evento casuale ogni 18,5 milioni di anni. Si sono dovuti aspettare ben 74 giorni per poter osservare qualcosa di ancora più potente, l'evento S230814ah un milione di volte più raro! Entrambi risultano prodotti dalla "classica" fusione di due buchi neri e in effetti, se scorriamo la lista, scopriamo che solo in 3 casi si sono osservati eventi che potrebbero ragionevolmente avere come progenitore una stella di neutroni ed un buco nero (NSBH); il caso più convincente è quello osservato pochi giorni fa (S230830b). Nel corso dell'intero ciclo O3, si contavano 6 eventi di questo tipo su un totale di 45, dunque una percentuale leggermente maggiore.
Il fatto davvero sconcertante riguarda in realtà la completa assenza, almeno sulla base dell'analisi iniziale del segnale, di eventi di fusione tra stelle di neutroni binarie, che poi sono quelle più attese perchè possono dare luogo a emissione di onde elettromagnetiche (come è successo nell'unico caso finora osservato, la celebre "kilonova" GW170817 nel ciclo O2). Eppure, nel corso della precedente campagna, eventi di questo tipo sembravano avere più o meno la stessa frequenza delle fusioni ibride NSBH, dunque avremmo dovuto vederne circa 3 anche nei 100 giorni passati... in verità, il primo evento della lista, S230529ay, potrebbe essere una coalescenza di stelle di neutroni ma la probabilità che sia davvero così è piuttosto limitata (32%).
Infine, un accenno alle curiose "pause di silenzio" già osservate all'inizio del ciclo O3. Come evidenziato nella figura di apertura, la distribuzione temporale degli eventi non è affatto uniforme ma mostra raffiche intervallate da vuoti prolungati. In particolare, ci sono stati due periodi di silenzio (regioni in grigio) che si sono prortratti per 15.2 e 16.5 giorni rispettivamente, periodi in cui le antenne LIGO erano comunque in funzione. Una simulazione statistica fatta dal sottoscritto con il metodo di Montecarlo, generando centomila sequenze di eventi casuali con la stessa frequenza media di quella osservata, mostra che la probabilità che si verifichino per puro caso due o più pause di almeno 15 giorni nell'arco di 100 giorni è pari all'1,2% soltanto, una probabilità decisamente bassa. Tuttavia, va sottolineato che questi numeri sono molto sensibili al criterio che definisce una "lunga pausa": se la durata minima viene abbassata da 15 a 14 giorni, la percentuale di un risultato casuale sale al 2,6%. Una analisi simile fatta sui primi 100 giorni del ciclo O3 indica una probabilità del 4,7% per l'unico, prolungato silenzio durato ben 28 giorni. Non esiste alcuna spiegazione ragionevole di una simile distribuzione.
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