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Scritto: Giovedì, 13 Giugno 2019 09:53 Ultima modifica: Mercoledì, 01 Aprile 2020 14:17

Rilevazione di Onde Gravitazionali


Stato della rivelazione di probabili Onde Gravitazionali da parte di Virgo e Ligo (aggiornato al 1 Aprile).

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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

 Quello di oggi è probabilmente l'ultimo aggiornamento su questa rubrica, dal momento che le tre antenne LIGO e Virgo sono state spente con un mese di anticipo a causa della pandemia in atto. Complessivamente, nel corso degli 11 mesi di osservazioni, il ciclo O3 ha collezionato 56 candidati di onde gravitazionali, anche se dalla lista andrebbero eliminati 3 eventi di probabile origine terrestre. La lista completa degli eventi nei cicli O1,O2,O3 è stata riunificata ora in una singola tabella ed anche la Fig.5 ora tiene conto dello "shutdown" anticipato e del probabile spegnimento dell'ultima antenna Kagra nelle prossime settimane, nonchè di un possibile, ulteriore slittamento dell'inizio del ciclo O4, fissato al 1 Marzo 2022 prima della crisi pandemica. Le figure 3,4 non sono state aggiornate negli ultimi giorni poiché le medie all'inizio della settimana 54 risulterebbero falsate dallo spegnimento anticipato delle due antenne LIGO.

O3 2 f

Fig.1) Segnali nella seconda parte del ciclo O3 (circa 150 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 tabella (per ulteriori dettagli si veda questo articolo): 

 SE200331

 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.

 GW DF0328

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

 GW Eff Wk48b

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

 GW Eff by day Wk48

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 2019 i tre rivelatori LIGO+Virgo hanno ripreso a lavorare ma, a fine Marzo 2020, sono stati fermati in anticipo a causa delle difficoltà derivanti dalle restrizioni imposte dalla pandemia COVID-19. L'antenna criogenica sotterranea KAGRA, in Giappone, entrata in funzione solo alla fine di Febbraio esibendo comunque una bassa sensibilità, è attualmente l'unica grande antenna in funzione, probabilmente ancora per poche settimane. L'attuale blocco delle attività "in loco", se prolungato, potrebbe impattare anche la ripresa delle osservazioni nel 2022, quando inizierà il ciclo O4 con le antenne ulteriormente potenziate (LIGO A+). 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 9

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

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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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