Era dal marzo del 2021, ovvero dalla fine del precedente ciclo O3 concluso prematuramente per il lockdown, che l'antenna gravitazionale Virgo situata a Cascina (vicino Pisa) non era operativa. Durante questa lunga pausa, il personale tecnico del consorzio EGO ha cercato di migliorare la sensibilità dello strumento, riducendo le fonti di rumore che però hanno continuato a creare disturbo causando un ritardo di quasi un anno dell'entrata in servizio dell'interferometro; i frutti però adesso si fanno notare!

 Alle 4:20 di ieri, il primo segnale significativo di questa seconda fase della campagna osservativa (denominata O4b) è stato ufficialmente rilevato da tutti e tre i rivelatori (le due LIGO in USA più VIRGO). Quelli che vediamo nell'immagine di apertura sono i diagrammi relativi alla localizzazione della sorgente, a sinistra proiettati sulla volta celeste, a destra nello spazio tridimensionale. Nella prima mappa, come si vede, è stato possibile localizzare la sorgente con il 90% di confidenza in una regione estremamente ridotta, ampia soli 34 gradi quadrati, lo 0,8% dell'intera volta celeste! Questo risultato non sarebbe stato possibile senza il contributo di Virgo perchè è stata proprio la misura sui ritardi temporali nel passaggio dell'onda gravitazionale fra le tre le antenne ben distanziate a permettere una "triangolazione" così precisa.


Una partenza al rallentatore

 I due rilevatori LIGO hanno iniziato la quarta campagna osservativa O4 il 24 maggio 2023, fermandosi momentaneamente il 16 gennaio scorso per effettuare manutenzione e aggiornamenti; a questa prima porzione della campagna, denominata O4a, ha partecipato nel primo mese anche il rilevatore KAGRA in Giappone, l'unico costruito sotto terra e dotato di rivelatori criogenici (raffreddati). Nonostante queste caratteristiche interessanti, che anticipano quelle della prossima generazione di rivelatori per onde gravitazionali, la limitata sensibilità attuale dello strumento gli ha impedito di dare un reale contributo alla rilevazione e localizzazione dei segnali visti delle cugine americane. Kagra è poi stato spenta per un ulteriore potenziamento e sarebbe dovuta rientrare in servizio in questo periodo ma, sfortunatamente, lo strumento e l'esperimento si stanno attualmente riprendendo dai danni causati dal terremoto sulla penisola di Noto (magnitudo 7,6, 120 km dal sito KAGRA) il 1° gennaio 2024.

 Virgo ha invece ritardato la sua partecipazione fino alla ripresa delle osservazioni, alle 17 italiane del 10 aprile, per poter mitigare l'impatto di diverse fonti di rumore che ne limitavano la sensibilità ben al di sotto dei 250 milioni di anni luce circa che si sperava di raggiungere per la rilevazione della fusione tra due stelle di neutroni. 

“Gli osservatori di onde gravitazionali sono progetti all’avanguardia e, come tali, devono affrontare molte sfide. Oggi siamo molto lieti di unirci al nuovo ciclo di osservazione. Il contributo di Virgo sarà fondamentale per migliorare la localizzazione di eventi multi-messaggero, che ci aspettiamo di rilevare in questa seconda fase del run”, afferma il portavoce di Virgo e ricercatore INFN Gianluca Gemme.

 

Portare l'astronomia delle onde gravitazionali al livello successivo

 “L’astronomia delle onde gravitazionali è diventata un metodo fondamentale per osservare il nostro Universo. Con i dati di questo ciclo di osservazioni contribuiremo ulteriormente ad ampliare in modo significativo i nostri orizzonti e le nostre conoscenze sulle parti più oscure e violente dell’Universo”, afferma Patrick Brady, portavoce della Collaborazione Scientifica LIGO.

 La durata prevista del ciclo O4 è di 18 mesi, escluse le interruzioni di messa in servizio. Solo nei primi sette mesi e mezzo (O4a), i due rilevatori LIGO hanno identificato 81 candidati ad eventi gravitazionali altamente probabili, in conformità con il tasso previsto di rilevamento di una fusione tra buchi neri ogni 2 o 3 giorni. Entro la fine del ciclo, nel febbraio 2025, il numero totale di segnali di onde gravitazionali osservati potrebbe superare i 200.

 L’enorme quantità di dati di O4a è ancora in fase di analisi e gli scienziati della collaborazione scientifica LIGO – Virgo – KAGRA prevedono che O4 manterrà la promessa di portare l’astronomia delle onde gravitazionali a un ulteriore livello. Alcune delle osservazioni astrofisiche più significative saranno annunciate già nei prossimi mesi. Certamente la maggiore sensibilità dei rivelatori migliorerà ulteriormente la capacità degli scienziati di verificare la teoria della relatività generale di Einstein e di descrivere le popolazioni di buchi neri e stelle di neutroni nell’Universo locale.

 

Lo stato dei rivelatori

Virgo

“Affrontare le sfide è parte integrante delle imprese alla frontiera della scienza e della tecnologia, come l’aggiornamento e la messa in funzione di un rivelatore di onde gravitazionali”, ha dichiarato il portavoce di Virgo e ricercatore INFN Gianluca Gemme. “La buona notizia è che, dopo un lungo periodo di messa a punto e molte difficoltà, siamo riusciti a migliorare la sensibilità del rivelatore fino a 60 Mpc, che è pari ai livelli più alti raggiunti da Virgo in passato. Non abbiamo ancora raggiunto i nostri obiettivi di progetto, per cui il lavoro per migliorare ulteriormente la sensibilità continuerà durante la presa dati”.

Il gruppo di ricercatori Virgo nella Control Room, alla ripresa delle osservazioni - Credits: EGO/Virgo - Processing: Marco Di Lorenzo

 Attualmente Virgo rivela ora la collisione ‘standard’ di due stelle di neutroni fino a una distanza di circa 55 Megaparsec (Mpc), quasi 200 milioni di anni luce dalla Terra, non lontano dagli obiettivi prefissati prima dell'inizio di O4a. Naturalmente, eventi più violenti o più massicci, come la collisione di buchi neri mostrata nella figura di apertura, sono rilevabili anche da zone molto più remote dell’Universo.

LIGO

 I rivelatori LIGO hanno interrotto le osservazioni alla fine di O4a per una manutenzione programmata. Da allora, gli esperti di LIGO Hanford e LIGO Livingston hanno lavorato duramente per apportare modifiche ai rivelatori. Uno degli sforzi principali ha riguardato il miglioramento dei sistemi ottici che “comprimono” la luce laser, consentendo ai rivelatori LIGO di superare i limiti di sensibilità imposti dalla meccanica quantistica. Un altro sforzo ha riguardato l’individuazione e l’isolamento delle fonti di rumore nelle numerose camere a vuoto delle sale sperimentali alle estremità dei bracci di 4 chilometri. Questi e altri perfezionamenti garantiranno che la tendenza al miglioramento della sensibilità e dei tempi di osservazione dimostrata durante O4a, che ha visto aumentare la sensibilità del rivelatore da circa 140 Mpc a oltre 160 Mpc, continui anche per O4b e oltre.

KAGRA

 Il rivelatore KAGRA in Giappone si unirà al run negli ultimi mesi del 2024, dopo essersi ripreso dai danni causati in diverse strutture dal terremoto di Capodanno. Nonostante i danni al tunnel, al sistema di vuoto e al sistema criogenico di KAGRA siano di lieve entità, 9 dei 20 sistemi di sospensione degli specchi devono essere riparati e questo causerà un ritardo di almeno sei mesi rispetto al piano precedente.  Il gruppo KAGRA terminerà questo lavoro di recupero il prima possibile, riprenderà la messa in funzione e poi si unirà a O4b con una sensibilità di circa 33 milioni di anni luce

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Gli obiettivi scientifici di questa campagna di osservazione

 Nei prossimi mesi la speranza è naturalmente quella di poter rilevare nuovi eventi multi-messaggero, la cui emissione elettromagnetica possa essere osservata da altri telescopi sulla Terra o nello spazio, come nel caso dell’epocale osservazione del 17 agosto 2017 (GW170817) della fusione di due stelle di neutroni. Virgo potrà dare un contributo significativo in particolare nel localizzare l’origine nel cielo di eventi eccezionali, come fusioni di stelle di neutroni, fusioni di un buco nero con una stella di neutroni o esplosioni di supernove, queste ultime mai osservate attraverso le onde gravitazionali.

 Inoltre il potenziamento degli strumenti, i più accurati modelli di segnale e i metodi di analisi dei dati più avanzati aumenteranno le possibilità che dall’analisi dei dati emergano anche prove di segnali gravitazionali di altro tipo. Uno di questi potrebbe essere rappresentato dalle cosiddette onde gravitazionali continue, segnali con una frequenza quasi costante e ben definita, generati da stelle di neutroni in rotazione (pulsar) con una distribuzione asimmetrica della massa (per osservare un segnale di questa natura basterebbe una “montagna” di pochi millimetri di altezza sulla superficie della stella).

 I nuovi dati di O4 potrebbero anche contribuire a estendere la nostra conoscenza del fondo gravitazionale primordiale: la sovrapposizione casuale di onde gravitazionali prodotte nelle prime fasi della nascita dell’Universo, nonché di fondi simili prodotti dalla combinazione di molti eventi simultanei, esplosioni o segnali continui provenienti da tutto l’Universo. L’individuazione di tale fondo stocastico, probabilmente dovuto a binarie di buchi neri supermassicci, è stata ottenuta di recente, da array di radiotelescopi come EPTA, InPTA, NANOGrav, PPTA e CPTA.

 Ad ogni modo un gran numero di ricercatori di LIGO, Virgo e KAGRA sta lavorando intensamente all’analisi delle osservazioni effettuate in O4a, così come di quelle previste per i prossimi mesi. Molte attività in vari ambiti di ricerca sono condivise tra le tre collaborazioni e sono rese possibili dai contributi di tutti.

Come nei precedenti cicli di osservazione, durante l’O4b verranno distribuiti pubblicamente avvisi sugli eventi di onde gravitazionali candidati. Le informazioni su come ricevere e interpretare gli avvisi pubblici sono disponibili sul sito https://wiki.gw-astronomy.org/OpenLVEM  .


Osservatori di onde gravitazionali

LIGO è finanziato dalla NSF e gestito da Caltech e dal MIT, che hanno ideato e realizzato il progetto. Il sostegno finanziario per il progetto Advanced LIGO è stato guidato dalla NSF, mentre la Germania (Max Planck Society), il Regno Unito (Science and Technology Facilities Council) e l’Australia (Australian Research Council) hanno assunto impegni e dato contributi significativi al progetto. Oltre 1.600 scienziati di tutto il mondo partecipano a questo sforzo attraverso la LIGO Scientific Collaboration, che comprende la GEO Collaboration. Altri partner sono elencati sul sito http://ligo.org/partners.php .

La Collaborazione Virgo è attualmente composta da circa 880 membri provenienti da 152 istituzioni di 17 paesi diversi (principalmente europei). L’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) ospita il rivelatore Virgo vicino a Pisa, in Italia, ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia e dall’Istituto Nazionale di Fisica Subatomica (Nikhef) nei Paesi Bassi. Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web di Virgo: https://www.virgo-gw.eu .