Scritto: Giovedì, 15 Agosto 2019 11:01 Ultima modifica: Domenica, 18 Agosto 2019 08:00

Onde Gravitazionali: facciamo il punto In evidenza


 L'ultimo segnale di ieri rappresenta una svolta nella ricerca delle onde gravitazionali; facciamo intanto il punto delle osservazioni svolte finora, tra successi e delusioni. 

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I 34 segnali osservati fino ad oggi nelle 3 campagne osservative (per l'interpretazione si legga il testo) I 34 segnali osservati fino ad oggi nelle 3 campagne osservative (per l'interpretazione si legga il testo) Ligo-Virgo collabortion/GraceDB - Processing: Marco Di Lorenzo

Il nuovo segnale del 14 agosto

 Partiamo dall'ultimo, impressionante segnale. Come preannunciato nell'odierna "Immagine del Giorno", la Terra ieri sera è stata investita da un'onda gravitazionale decisamente intensa, generando il segnale di gran lunga più significativo nell'attuale ciclo osservativo e forse anche rispetto ai precedenti; l'immagine di apertura parla chiaro, il segnale (pallino rosso in alto a destra) ha un livello di significatività che è 6 ordini di grandezza maggiore del più intenso registrato in precedenza e risalente al 12 Aprile; questo significa che la probabilità di trovarci di fronte ad un "falso allarme" (frutto di una fluttuazione statistica del rumore) è ridicola: una ogni 15,5 milioni di miliardi di miliardi di anni, circa 1015 volte l'età dell'Universo!

 Ieri sera, alle 23:10:39 ora italiana, le tre antenne Ligo+Virgo hanno rilevato questo segnale eccezionale, denominato S190814bv; inizialmente, la sorgente più probabile sembrava la fusione di due oggetti di massa intermedia (da 3 a 5 masse solari), ciascuno dei quali potrebbe essere una stella di neutroni o un buco nero; sulla base alle ultime elaborazioni pubblicate poche ore fa, invece, esso è stato prodotto da un evento relativamente raro, probabilmente osservato per la prima volta: la fusione tra un buco nero e di una stella di neutroni! Per la verità, c'era qualche sospetto che questo potesse essere avvenuto anche nel penultimo segnale, registrato il 28 luglio, e in un altro evento registrato all'inizio del ciclo, il 26 Aprile; ma mentre in quei casi la probabilità che il meccanismo fosse davvero quello era bassa (meno del 15%), adesso c'è una certezza quasi assoluta (oltre il 99%), segno che qualsiasi altra sorgente non riuscirebbe a riprodurre esattamente le caratteristiche del segnale osservato. In base al modello di merging, la sorgente dovrebbe trovarsi a 870±170 milioni di anni luce.

Segments

Segmenti operativi delle tre antenne gravitazionali al momento dell'arrivo del segnale S190814bv (linea verticale verde) - Data Source: Ligo-Virgo collaboration/gw-openscience.org - Processing: Marco Di Lorenzo

 Sull'osservazione da parte delle tre antenne, a dire il vero, c'è un piccolo giallo che scaturisce dall'immagine qui sopra. Si tratta dei diagrammi del funzionamento di questi strumenti nel tempo, in cui i blocchi spessi indicano la modalità di "ascolto" mentre le linee sottili i momenti in cui le antenne erano spente. Ebbene, si nota che al momento dell'arrivo del segnale l'antenna LIGO di Hanford era in uno stato operativo ma non stava osservando i segnali (barra più sottile e meno satura); se essa risulta coinvolta nell'osservazione dell'onda, evidentemente la cosa non era vera!

 Grazie al fatto che il segnale è intenso e che è stato osservato da tutte e tre le antenne, è stato possibile localizzarlo sulla volta celeste con una precisione eccellente, anche questa la migliore di tutto il ciclo O3 e seconda solo alla famosa "kilonova" osservata quasi esattamente 2 anni fa (di cui riparleremo tra poco). La zona di provenienza possibile è situata nell'emisfero meridionale, al confine tra le costellazioni della Balena e dello Scultore; la regione che, al 90%, ospita la sorgente si estende per 23 gradi quadrati e consiste in realtà in due zone, una ellisse principale, ampia circa 4,5x5,5 gradi che include la galassia "dollaro d'argento" (NGC253) e una ellisse secondaria più piccola (2°x2,5°) e molto meno probabile, posta a circa 12° in direzione SE. Le ho evidenziate entrambe nella seguente schermata usando il programma "Stellarium", in maniera comunque molto approssimativa.

mappa

La mappa celeste di GraceDB (in alto a sinistra) da cui ho ricavato il campo stellare interessato dalle due regioni probabili; nell'inserto a destra, il centro dell'ellisse principale (croce viola) accanto alla galassia NGC253 in un'immagine SSD. - Credits: GraceDB/Stellarium/ESASky - Processing: Marco Di Lorenzo

 Nonostante le ottime premesse, però, non c'è notizia di controparti osservate nello spettro elettromagnetico o anche con neutrini, almeno per ora...

Promesse mantenute?

 Prima del nuovo ciclo di "ascolto", si erano visti solo 11 segnali nel corso delle due campagne osservative O1 (12/9/2015-19/1/2016) e O3 (30/11/2016-25/8/2017). Nel corso di oltre 13 mesi, erano stati utilizzati i due strumenti americani LIGO cui si era aggiunta, soltanto nell'ultimo mese di osservazioni, l'antenna italo-francese Virgo. Degli 11 segnali osservati, 10 erano fusioni di buchi neri con masse iniziali comprese tra 7,5 e 40 masse solari, mentre una era il "merging" tra due stelle di neutroni poco sotto le 1,5 masse solari, all'origine della famosa "kilonova" che è stata osservata anche in molte regioni dello spettro elettromagnetico, dando origine alla cosiddetta "astronomia multimessenger".

 Il bottino era dunque già notevole e, quando lo scorso 1 Aprile le tre antenne sono tornate in funzione all'unisono, c'erano grosse aspettative perché nel frattempo la loro sensibilità era stata notevolmente incrementata. Come vedremo, in 4,5 mesi di osservazioni alcune di queste aspettative sono state pienamente soddisfatte, altre meno. Intanto, il numero di eventi totale è triplicato, cosa già avvenuta con il penultimo segnale del 28 luglio (il ventiduesimo del ciclo O3, appunto) e questo non può che fare piacere, dato che si comincia a disporre di un campionario di segnali statisticamente interessante.

 Per quanto riguarda la frequenza degli eventi, mentre nei primi due cicli osservativi è stata inferiore a uno al mese, con gli strumenti potenziati "Advanced LIGO" e "Advanced Virgo" si sperava di arrivare a vedere almeno un evento significativo ogni settimana. L'aspettativa è stata soddisfatta in pieno dato che, ad oggi (15 Agosto), siamo a quota 1,18 eventi reali ogni settimana, ovvero uno ogni 5,9 giorni. Ho specificato "eventi reali" perché, accanto ai segnali confermati, ne sono apparsi anche 4 "spuri" e poi ritrattati quando, ad una analisi successiva, si sono rivelati falsi allarmi di probabile origine terrestre (segnalati come "ADVNO" ovvero "No EM advocate" su GraceDB).

 Tuttavia, anche se nessuno lo dice, la frequenza reale potrebbe essere decisamente più alta se tutti gli strumenti funzionassero continuamente. Da quando sono iniziate le osservazioni del ciclo O3, infatti, tutte le antenne subiscono frequenti interruzioni nella loro attività di ascolto, spesso più volte al giorno. Le interruzioni (se ne vedono alcune anche nella prima immagine dell'articolo, quella dei segmenti operativi) possono durare alcuni minuti o addirittura svariate ore, senza uno schema preciso; non è chiaro quale sia la motivazione in questa caotica discontinuità, si può solo ipotizzare che, essendo comunque strumenti estremamente delicati e sensibili, a volte basta poco per disturbare le osservazioni e richiedere un intervento, magari per riallineare gli specchi o "masse sospese". Eppure, non deve essere poi così difficile evitare le interruzioni perché, se guardiamo ad esempio l'utilizzo delle antenne nell'arco della settimana passata, negli ultimi 2 giorni si è riusciti comunque a farle funzionare tutte e tre in maniera abbastanza continua, evitando che ce ne fosse più di una ferma nello stesso momento:

SegWk19

Utilizzo istantaneo delle tre antenne LIGO+Virgo+GEO nella settimana conclusa (week 19); notare l'andamento particolarmente tormentato di Virgo a metà settimana - Data Source: Ligo-Virgo collaboration/gw-openscience.org - Processing: Marco Di Lorenzo

 Questa situazione inficia pesantemente l'efficienza di rivelazione; il motivo è legato al fatto che, con una sola antenna operativa, comunque siamo praticamente ciechi poiché le antenne lavorano "in coincidenza" e il debole segnale indotto da un'onda gravitazionale, immerso nel rumore strumentale, ha bisogno di apparire contemporaneamente su almeno due di esse per essere preso anche solo in considerazione. A conferma di ciò, consultando la lista dei 23 eventi osservati nel ciclo O3 (si veda il Log aggiornato), nessuno di essi è stato osservato da una sola antenna, neanche quelli più intensi come quello di ieri. Se poi le antenne in ascolto sono tre, oltre ad avere un netto miglioramento nella capacità di discernere la direzione di provenienza, si ha comunque un ulteriore, importante aumento di sensibilità legato alla "tripla coincidenza". E infatti, non a caso solo 5 segnali su 23 sono stati osservati con due antenne, nonostante il fatto che il tempo totale trascorso in questa configurazione di ascolto sia comparabile a quello con tre antenne; inoltre, tra questi 5 eventi, solo uno era poco significativo (cioè con FAR superiore ad un evento ogni secolo) mentre con tre antenne funzionanti questo tipo di segnali, presumibilmente più deboli, sono quasi il 70% del totale (12 su 18).

 Purtroppo, la frazione di tempo con tre antenne funzionanti in questi 4,5 mesi è stata del 42,2% mentre per il 37,6% una antenna era ferma e, per il 20,2% del tempo, c'erano due o tre antenne ferme, dunque il buio totale!

 A questo punto non è difficile calcolare la reale efficienza di osservazione del sistema. Possiamo dire che, statisticamente, a fronte di 23 eventi osservati altri 11 (generalmente deboli) sono andati persi durante le osservazioni con due antenne, mentre ce ne dovrebbero essere circa 8,5 (anche di notevole intensità) completamente persi quando le antenne in funzione erano una o nessuna! In totale, quindi, avremmo dovuto osservare 42 o 43 segnali, quasi uno in più ogni settimana! Di conseguenza, l'effettiva efficienza di osservazione è stata dell'ordine del 55%. Se si riuscisse a portare almeno a 70% la percentuale di tempo con 3 antenne e contenere entro il 10% quella con meno di due, l'efficienza si avvicinerebbe all' 80%, una cifra molto più accettabile. Per farlo, la strategia dovrebbe essere quella di mantenere l'utilizzo temporale di ciascuna antenna sopra l'85%, concentrando il più possibile le (brevi) interruzioni pianificate nello stesso momento, in modo da evitare di avere una sola antenna in funzione perché, di fatto, sarebbe completamente inutile!

 A proposito di discontinuità nel funzionamento, nel mese scorse è stato annunciato che LIGO fermerà entrambe le antenne per un mese intero, a Ottobre, allo scopo di effettuare delle modifiche hardware che dovrebbero "allineare" le sensibilità delle due antenne. In questo momento, effettivamente, l'antenne di Livingston ha una portata leggermente maggiore di quella di Hanford (140 Mpc contro 120 Mpc, nel caso di un segnale prodotto dalla fusione di due stelle di neutroni). I ricercatori ritengono infatti di avere identificato i motivi di questa differenza e quindi desiderano, almeno nella seconda metà del ciclo O3, avere le stesse prestazioni su entrambe le antenne. Se davvero questa fosse l'unica motivazione, non si capisce perché anche l'antenna di Livingston verrà fermata, rendendo a questo punto inutile il funzionamento di Virgo (per i motivi appena spiegati); perciò è probabile che anche l'antenna in Toscana venga fermata, magari per fare qualche piccola miglioria anche su di essa. Si noti bene che questi aggiornamenti non sono ancora quelli definitivi: alla fine del ciclo attuale, il primo Maggio del prossimo anno, tutte le antenne verranno nuovamente fermate e "commissariate" fino all'anno successivo, al fine di portare il raggio di ascolto di LIGO fino a quasi 200 Mpc e quello di Virgo oltre i 100 Mpc; di fatto, il futuro ciclo O4 (che inizierà nel 2021 e si spera duri anche più di un anno ininterrottamente) dovrebbe "vedere" un volume quasi 3 volte più grande di quello attuale e la frequenza degli eventi dovrebbe avvicinarsi a una ogni 2 giorni (anche meglio se nel frattempo si agirà sul fronte dell'efficienza); peraltro, a quel punto alle tre antenne esistenti si dovrebbe finalmente aggiungere anche quella giapponese KAGRA (ottimizzata per la scoperta di merging tra stelle di neutroni) e forse, in seguito, anche la costruenda antenna LIGO indiana...

 Infine, un accenno alla tipologia di segnali osservati. Avendo collezionato oltre il doppio di eventi rispetto alle due campagne precedenti, era lecito aspettarsi almeno un paio di nuove fusioni tra stelle di neutroni. Il comunicato stampa diffuso 3 giorni fa sul sito LIGO parla effettivamente di ben 4 nuovi eventi di questo tipo ma, andando a vedere da vicino la classificazione, soltanto uno di essi (quello del 25 aprile) è stato quasi certamente originato in questa maniera. Tuttavia, quando si è verificato, l'antenna di Hanford non era in funzione e quindi l'incertezza sulla posizione è risultata enorme, quasi 7500 gradi quadrati contro i 16 della famosa kilonova, impedendo di trovare una controparte e quindi replicare successo del 2017. Per quanto riguarda gli altri due possibili casi di merging tra stelle di neutroni (che però sono incerti) e per il quarto caso recente che in realtà coinvolge probabilmente due corpi di massa intermedia (dunque stelle di neutroni o buchi neri), non ci sono state controparti osservate nonostante la buona localizzazione dovuta a tre antenne funzionanti.

 In generale, probabilmente la vera cocente delusione per la comunità di ricercatori è stata la completa mancanza di controparti elettromagnetiche in tutti i 23 casi registrati, un fatto che nessuno si aspettava. Insomma, l'astronomia Multimessenger per ora deve aspettare, nel frattempo però ci ritroviamo con un affascinante merging "ibrido" che, pur non avendo generato controparti elettromagnetiche, promette sviluppi interessanti... 

Nota bene: Tutte le informazioni sul ciclo O3 le ho tratte dal database ufficiale GraceDB. Un'altra fonte derivata da GraceDB ma con una interfaccia meno tecnica e forse più "intuitiva", la si può trovare su questo sito.

 

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Read 636 times Ultima modifica Domenica, 18 Agosto 2019 08:00
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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