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Scritto: Giovedì, 13 Giugno 2019 09:53 Ultima modifica: Lunedì, 17 Febbraio 2020 08:14

Rilevazione di Onde Gravitazionali


Stato della rivelazione di probabili Onde Gravitazionali da parte di Virgo e Ligo (aggiornato al 17 Febbraio) 

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Uno dei due bracci dell'interferometro Virgo (Cascina, PI) e, in alto, una rappresentazione artistica dell'onda gravitazionale prodotta da due buchi neri in procinto di fondersi. Uno dei due bracci dell'interferometro Virgo (Cascina, PI) e, in alto, una rappresentazione artistica dell'onda gravitazionale prodotta da due buchi neri in procinto di fondersi. Credits: EGO/Virgo - Processing: Marco Di Lorenzo

  Nessun nuovo segnale ormai da 100 ore; sabato scorso l'efficienza osservativa è stata funestata dal fermo totale dell'antenna di Livingston, mentre il giorno dopo i tre interferometri hanno funzionato quasi ininterrottamente. Per motivi di leggibilità, la lista dei "Super Eventi" è stata spezzata in due tabelle: la prima contiene solo gli ultimi segnali registrati nella seconda metà del ciclo O3, l'altra riporta i segnali "storici".

 GW plot 200217

Fig.1a) Segnali recenti, nell'ultima parte del ciclo O3 - Data Source: Ligo-Virgo collabortion/GraceDB - Processing: Marco Di Lorenzo

GW plot 200206

Fig.1b) Segnali nella prima fase della seconda parte del ciclo O3 (98 giorni) - Data Source: Ligo-Virgo collabortion/GraceDB - Processing: Marco Di Lorenzo

GW plot O3 phase1 retracted 

Fig.1c) Segnali riportati nella prima metà del ciclo O3 (183 giorni) - Data Source: Ligo-Virgo collabortion/GraceDB - Processing: Marco Di Lorenzo

 Il diagramma mostra con dei cerchi i singoli "super-eventi" confermati e di probabile origine astrofisica; i colori indicano la presunta sorgente, secondo la legenda nel riquadro (in alcuni casi i colori sono due poiché ci sono almeno due diversi meccanismi che spiegano la forma d'onda del segnale). In ascissa c'è la data di rilevazione (suddivisa per settimane) mentre in ordinata a sinistra c'è l'inverso del parametro FAR (False Alarm Rate), in scala logaritmica; di fatto è il tempo medio che bisognerebbe aspettare per vedere un segnale analogo a quello osservato come frutto del semplice rumore statistico. In pratica, più è alto il valore di 1/FAR, più il segnale è chiaro e inconfondibile; come si vede, il segnale più intenso risale alla seconda settimana di osservazione, con un valore 1/FAR estremamente alto (oltre un miliardo di volte l'età dell'Universo!); all'estremo inferiore, invece, ci sono numerosi eventi relativamente poco significativi, con un frequenza di falso allarme pari a uno ogni pochi anni (la soglia di rivelazione dovrebbe cadere intorno a FAR=1/anno). La curva rossa e il corrispondente asse sulla destra indicano invece il tasso di eventi medio registrato dall'inizio del ciclo osservativo.

 Gli stessi dati, insieme ad altre informazioni come la collocazione sulla sfera celeste e la distanza, sono riportati di seguito in forma di tabelle (per ulteriori dettagli si veda questo articolo): 

 GW SE0217

Qui sopra i segnali più recenti, registrati nella seconda metà del ciclo osservativo O3; sotto i segnali relativi alla prima fase del ciclo attuale e anche ai due cicli precedenti.

GW SE old

 La colonna "lasso" indica l'intervallo di tempo (in giorni) intercorso dal precedente segnale, mentre la colonna "events/week" si riferisce alla frequenza dei segnali dall'inizio di ciascun ciclo osservativo (il conteggio è stato resettato il 1 Novembre dopo l'interruzione del ciclo O3 per commissariamento). I falsi allarmi, ritrattati poco dopo il loro annuncio e riportati nei grafici in alto, qui non sono inclusi; i due segnali che, nella prima fase del ciclo O3, hanno una probabilità >50% di avere "origine terrestre" sono invece riportati in tabella ma appaiono in grigio/italico e non sono conteggiati come effettive onde gravitazionali (colonna "seq."). La posizione della sorgente è solo indicativa ed è una sorta di "media pesata", nei casi in cui l'incertezza è alta; quest'ultima è espressa in gradi quadrati nelle due colonne "50% area" e "90% area", che si riferiscono alla probabilità di trovare effettivamente la sorgente. Le colonne relative al possibile meccanismo d'origine vanno interpretate come segue: BBH=Binary Black Hole, BNS=Binary Neutron Star; NSBH=Neutron-Star + Black Hole merging; Mass Gap=sistema con almeno un oggetto di massa compresa tra 3 e 5 masse solari; Terrestrial=sorgente non astrofisica (fluttuazione del rumore o altro); i valori di probabilità in stile italico sono desunti dal sottoscritto. Dall'ultima colonna si evince che le controparti elettromagnetiche, finora, non sono mai state trovate nel corso dell'attuale campagna, come invece era successo nel corso della precedente campagna, quasi 2 anni fa, quando si osservò in numerose bande l'emissione di una kilonova associata alla fusione tra stelle di neutroni.

 Nei seguenti grafici è rappresentato il "duty factor" (percentuale di utilizzo delle antenne in modalità di osservazione) e anche la stima della efficienza giornaliera di rilevazione, il cui calcolo è basato sui dati della prima fase del ciclo, secondo il metodo spiegato in questo articolo. Tale efficienza, peraltro, esibisce una ciclicità settimanale illustrata in Fig.4; in genere, si registrano buone prestazioni nel fine settimana e un minore utilizzo delle antenne nella prima metà della settimana, specialmente il martedì, presumibilmente a causa di un maggior numero di interruzioni per manutenzione o altre attività.

DF 200217 

Fig.2a) Duty Factor giornaliero nella seconda metà del ciclo O3 - Data Source: Ligo-Virgo collaboration/gw-openscience.org - Processing: Marco Di Lorenzo 

DF O3bb Fig.2b) Duty Factor giornaliero nella prima parte del ciclo O3 - Data Source: Ligo-Virgo collabortion/GraceDB - Processing: Marco Di Lorenzo

Eff Wk42 

Fig.3) Duty Factor ed efficienza stimata settimanale, con indicazione delle percentuali totali (a destra)  - Notare che la "Week 27" appare trasparente perché separa le due fasi  del ciclo O3 e abbraccia solo  2 giorni di osservazioni  (29 e 30 settembre 2019) - Data Source: Ligo-Virgo collaboration/gw-openscience.org - Processing: Marco Di Lorenzo

 Eff by day Wk42

Fig.4) Efficienza stimata media per giorno della settimana (1=lunedi, 7=domenica); basato sulla prima parte del ciclo O3 - Data Source: Ligo-Virgo collaboration/gw-openscience.org - Processing: Marco Di Lorenzo

 Infine, uno sguardo ai piani indicativi dei futuri cicli di osservazione; come si vede nello schema qui sotto, dopo la manutenzione del mese di Ottobre i tre rivelatori LIGO+Virgo hanno ripreso a lavorare e, a breve, verranno affiancati dalla nuova antenna criogenica sotterranea KAGRA, in Giappone. Il ciclo O3 si dovrebbe concludere il 1 Maggio 2020, ma ci potrebbe essere una estensione fino alla fine di giugno; nel 2021 dovrebbe iniziare il ciclo O4 con le antenne ulteriormente potenziate e la sensibilità più alta verrà raggiunta solo nel 2024 con il ciclo O5, in cui gli strumenti verranno ottimizzati per il merging tra stelle di neutroni e durante il quale si prevede l'entrata in servizio di una quinta antenna in India (INDigO).

timeline 8g 

Fig.5) 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 - Update and (strong) improvement by Marco Di Lorenzo

 Su un orizzonte temporale più ampio, a partire dalla metà degli anni '30, ci sono almeno tre progetti di interferometria spaziale (LISA e altre due cinesi) e due grandi osservatori terrestri di terza generazione, l'americano "Cosmic Explorer" e l'europeo "Einstein Telescope" , che potrebbe sorgere in Sardegna. 

 Da segnalare infine la possibilità, per chiunque lo voglia, di partecipare attivamente alla classificazione degli eventi osservati da LIGO: si tratta del progetto "citizen science" denominato gravity-spy:

 

Riferimenti:

https://gracedb.ligo.org/latest/

https://www.gw-openscience.org/detector_status/day/

https://arxiv.org/pdf/1304.0670.pdf

Altre informazioni su questo articolo

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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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