Scritto: Venerdì, 04 Ottobre 2019 19:17 Ultima modifica: Mercoledì, 30 Ottobre 2019 16:51

Sei mesi di Onde Gravitazionali


Adesso che le antenne LIGO e Virgo sono spente per manutenzione, vediamone il motivo e tiriamo le somme su quanto osservato finora. E intanto i giapponesi stanno per entrare nel club!

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In alto a sinistra la mappa delle quattro antenne gravitazionali mostrate sotto in senso antiorario: LIGO Hanford, Virgo, LIGO Livingston e KAGRA. In alto a sinistra la mappa delle quattro antenne gravitazionali mostrate sotto in senso antiorario: LIGO Hanford, Virgo, LIGO Livingston e KAGRA. Image credit: ICRR, Univ. of Tokyo/LIGO Lab/Caltech/MIT/Virgo Collaboration

 Il primo ottobre, alle 15 ora italiana, i tre maggiori osservatori interferometrici di onde gravitazionali, situati ad Hanford (LHO), Livingston (LLO) e Cascina (Virgo), hanno simultaneamente interrotto le osservazioni iniziate il 1 Aprile scorso per sottoporsi a una serie di aggiornamenti e migliorie. La pausa, detta "commissariamento", avrà una durata di 1 mese ed era stata pianificata da tempo; nella seconda parte dell'articolo, spieghiamo in dettaglio perché si è deciso di interrompere le osservazioni a metà del ciclo O3 e in cosa consisteranno i lavori, almeno per le antenne LIGO sulle quali è disponibile un dettagliato report. Prima però tiriamo le somme di quanto si è visto finora dal punto di vista dei fenomeni osservati e della efficienza di rivelazione, una sorta di aggiornamento di quanto già discusso quasi 2 mesi fa, sulla base dei primi 23 eventi rilevati in 4,5 mesi di osservazione.

Le osservazioni

 In 183 giorni di osservazione, il consorzio LIGO+Virgo ha rilevato 31 segnali di origine astrofisica quasi certa. A questi va aggiunto un segnale rilevato il 10 Maggio e inizialmente attribuito alla fusione tra due buchi neri (BBH), ma che ora ha una probabilità del 58% di essere di origine terrestre, ovvero una finta onda gravitazionale generata da una fluttuazione strumentale o da un terremoto; anche il segnale del 18 luglio, inizialmente classificato come BBH, è stato poi riconosciuto come quasi certamente di origine terrestre. Ci sono infine altri 8 "falsi allarmi", ritrattati quasi subito perché anch'essi di probabile origine artificiale o comunque terrestre. Tutti i rimanenti eventi di origine astrofisica, comunque, necessitano di ulteriori approfonditi studi (sicuramente già in corso) per essere confermati e meglio caratterizzati; è anche probabile che, con una analisi più approfondita dei dati raccolti, se ne aggiungeranno altri, sfuggiti al "setaccio" iniziale perché classificati come poco significativi, in quanto deboli oppure di forma inattesa (ma che proprio per questo potrebbero rivelarsi estremamente interessanti). In questa sede, però, mi baserò sulle informazioni riportate nel database GraceDB, allestito per informare con tempestività la comunità scientifica sui segnali più interessanti e significativi, sulla base dei modelli attuali; esse sono riassunte nella tabella seguente:

O3a lista rivista

 Cominciamo subito dal dire che, come indicato dall'ultima colonna, nonostante tutte le aspettative riposte nella "astrofisica multi-messaggero", continuano a non esserci controparti elettromagnetiche degli eventi osservati, esclusa naturalmente la solita "kilonova" del 2017 (che ovviamente non appare nella tabella poiché osservata nel precedente ciclo); perciò, a quanto pare, l'osservazione di tali coincidenze è un evento decisamente raro, con una percentuale per ora ferma al 2,3% sui 42 eventi complessivamente osservati; la percentuale sale all 8% se escludiamo i merging tra buchi neri, gli eventi più numerosi per i quali era prevedibile l'assenza di emissioni elettromagnetiche apprezzabili. Di certo, però, la comunità scientifica sperava in percentuali più alte, con almeno una replica del successo che entusiasmò tutti nel 2017, cosa che non è avvenuta per ora. Alla unicità della kilonova deve avere contribuito la sua distanza estremamente ridotta, 130 milioni di anni luce contro i 0,33-10 miliardi di anni luce di tutti gli altri eventi osservati nel ciclo attuale.

 Una nota positiva riguarda invece la tipologia di fenomeni astrofisici, decisamente più varia e ricca rispetto ai primi due "run". Infatti, mentre in precedenza c'era una assoluta prevalenza di "Black Hole Merging" (10 casi su 11, quindi il 91%), adesso questa fetta è scesa al 65% e il resto si divide più o meno equamente tra le altre 3 tipologie, come mostrato in questo diagramma a torta (i numeri sul bordo indicano la quantità di eventi per ciascuna categoria):

O3a tipologie

Classificazione delle sorgenti delle onde gravitazionali, assumendo il meccanismo più probabile come quello all'origine di ciascun segnale. - Data source: GraceDB - Processing+Plot: Marco Di Lorenzo

 Ricordiamo che la categoria "Mass gap" si riferisce ad un merging che coinvolge almeno un oggetto di massa intermedia, tra 3 e 5 masse solari; questa fusione, come quella "ibrida" tra stella di neutroni e buco nero, non era mai stata osservata in precedenza e suggerisce che, oltre ad un aumento di sensibilità, l'aggiunta dell'antenna Virgo abbia reso il sistema più sensibile a fenomeni di questo genere, per la cui rilevazione è necessaria una distanza minore della sorgente e una maggiore sensibilità alle alte frequenze. 

 Per quanto riguarda la frequenza degli eventi e la loro distribuzione temporale, mediamente si sono osservate 1,185 onde gravitazionali a settimana, pari a un evento ogni 5,9 giorni. Nell'ultimo periodo non ci sono state, tra eventi consecutivi, pause così lunghe come quella di giugno (durata ben 4 settimane); il massimo è durato meno di 2 settimane a cavallo tra agosto e settembre. Tuttavia, in termini di lasso breve di tempo, ci sono state due coppie davvero impressionanti; una è costituita gli ultimi due eventi, registrati il 30 settembre a 58 minuti l'uno dall'altro; l'altra "doppietta", osservata un mese prima, era ancora più incredibile: soltanto 21 minuti di differenza! La probabilità che, su 31 eventi casuali completamente slegati tra loro, due di essi si presentino così ravvicinati nel tempo dovrebbe essere circa il 7,5%, dunque un fenomeno improbabile ma non impossibile, esattamente come era successo per l'intervallo particolarmente lungo a giugno. La coincidenza però non finisce qui, perché entrambi i segnali sono stati prodotti dalla fusione di buchi neri e provenivano da regioni di cielo vicine tra loro (separate da una quindicina di gradi); inoltre, anche le distanze stimate da Terra erano le stesse (circa 5,5 miliardi di anni luce)! Una possibile spiegazione di tali coincidenze potrebbe essere una eco dovuta al "lensing" gravitazionale, in cui una massa interposta tra noi e una unica sorgente potrebbe aver causato l'arrivo quasi contemporaneo dello stesso segnale su due percorsi differenti, ma è una ipotesi (personale) tutta da verificare, avendo a disposizione maggiori informazioni; del resto, il fatto che la prima onda risultasse ben 11 ordini di grandezza più significativa dell'altra suggerisce una potenza del segnale molto diversa e quindi, a parità di distanza, una forma d'onda molto diversa nei due casi, il che inficerebbe l'ipotesi della eco gravitazionale...

DF O3a

Utilizzo settimanale in base al numero di interferometri funzionanti; sulla destra, i valori medi per l'intero semi-ciclo O3 (si tiene conto di un paio di giorni appartenenti alla settimana 27, non visualizzati nell'istogramma) - Data source: https://www.gw-openscience.org - Processing and plot: Marco Di Lorenzo

 Infine, alcune considerazioni sull'efficienza di rivelazione. Rispetto a quanto dicemmo ad agosto, la situazione è leggermente migliorata perché, nelle ultime settimane, il sistema ha funzionato in media con tre interferometri per circa il 50% del tempo, come si vede nell'istogramma qui sopra; per la precisione, il numero medio di interferometri funzionanti è stato 2,05. Inoltre, in due occasioni, il sistema è stato in grado di rivelare segnali con un solo interferometro in funzione, dimostrando che anche in questa configurazione è possibile "fare scienza" contrariamente a quanto pronosticato, sebbene con sensibilità e risoluzione angolare fortemente degradate; questo naturalmente ha incrementato i coefficienti da usare nel calcolo dell'efficienza, in precedenza troppo "pessimistici". Volendo dare qualche cifra, possiamo dire che, su 183 giorni di osservazioni, 80,6 giorni sono trascorsi con 3 interferometri funzionanti e questo ha portato alla rilevazione di 20 segnali (in media 1,74 a settimana); altri 68,8 giorni sono trascorsi con 2 interferometri in funzione, cosa che ha portato a rilevare 9 segnali invece dei 17 "previsti" (dunque una efficienza di rivelazione degradata al 53%); con un solo strumento, come dicevamo prima, sono state viste due onde gravitazionali in 27,3 giorni di osservazione, contro i 6,8 segnali che sarebbe stato possibile vedere in condizioni ottimali; questo implica una efficienza di rivelazione dell 29,5% anziché zero. Infine, 6,3 giorni sono stati spesi con tutte le antenne ferme e questo dovrebbe implicare la perdita completa di quasi 1,6 eventi, rispetto all'osservazione con tre interferometri. Perciò, alla fine, sono stati osservati 31 segnali invece dei 45,4 "previsti" e questo implica una efficienza complessiva del 68,3%; come vedremo, questa cifra dovrebbe ulteriormente migliorare nella seconda metà del ciclo O3.

 

Il commissariamento

 La pausa di commissariamento o di "interruzione della messa in servizio" iniziata il 1 Ottobre, che riguarda sia le antenne LIGO che Virgo, servirà ad eseguire aggiornamenti che miglioreranno la loro sensibilità e il loro tempo di attività; tutti e tre i rilevatori riprenderanno a funzionare il 1 novembre. Tali pause di manutenzione avvengono all'interno di un ciclo osservativo e durano in genere un mese, mentre quelle tra due cicli di osservazioni possono durare un anno o più e consistono in modifiche essenziali che aumentano la sensibilità dello strumento in maniera drastica, tanto da fargli cambiare anche nome (dopo l'ultima  revisione, LIGO e Virgo hanno acquisito il prefisso "Advanced").

 Le attività più importanti durante il commissariamento riguarderanno l'antenna LIGO di Hanford (LHO) e prevedono la sostituzione di pompe per vuoto vecchie di 20 anni, la rimozione di camere a vuoto non utilizzate (da riutilizzare in seguito), la riparazione di una saracinesca per vuoto e l'installazione di un dispositivo per determinare quali specie di molecole vengono "degassate" da parti di l'interferometro, sostituendo anche un cavo a fibre ottiche che trasporta la luce laser e installando barriere anti-vento, dato che nei mesi scorsi le folate hanno disturbato le osservazioni costringendo anche a frequenti interruzioni nelle osservazioni. Su LIGO Livingston si vuole invece ridurre la quantità di luce diffusa pulendo alcuni specchi critici (le preziose "masse di test finali" di LIGO) e installando alcuni deflettori che assorbono la luce.

 Tutto questo lavoro ha lo scopo di migliorare la capacità di rilevare onde gravitazionali sempre più flebili, avvicinandosi alla cosiddetta "sensibilità progettuale", il limite teorico dello strumento che verrà pienamente raggiunto solo nel quarto ciclo di osservazioni, tra circa 2 anni. Questo è particolarmente vero per il rivelatore di Hanford, che finora si è dimostrato meno sensibile di quello di Livingston. Infatti, dal 1 aprile, Livingston ha regolarmente raggiunto una sensibilità tale da rilevare potenzialmente una fusione tra stelle di neutroni fino a circa 440 milioni di anni luce di distanza, mentre Hanford ha raggiunto solo 380 milioni di anni luce. Gli aggiornamenti e le correzioni di LHO dovrebbero colmare in buona parte questo divario.

Virgo sensitivity improvement 2

Diagrammi della sensibilità di Virgo durante il ciclo osservativo O3 (in alto) e ieri nel corso dei lavori di manutenzione (al centro e in basso) - Credits: http://www.virgo-gw.eu/status.html - Processinf: Marco Di Lorenzo

 Su Virgo non è dato sapere in dettaglio quali sono le modifiche in atto, ma sicuramente i lavori fervono e risultano efficaci già adesso. I grafici qui sopra, infatti, mostrano come rispetto a 4 mesi fa le performances a bassa e alta frequenza sono nettamente migliorate e queste ultime raggiungono già ora l'obiettivo fissato per il ciclo osservativo O3; inoltre, da ieri a oggi, sono stati rimossi gli indesiderati eccessi di rumore a media frequenza (regioni in arancione nel grafico mediano). In questo momento, l'antenna dovrebbe essere in grado di rivelare una fusione tra stelle di neutroni a 150 milioni di anni luce e si spera di arrivare ad almeno 200 milioni prima della ripresa delle osservazioni (erano solo 90 durante il precedente ciclo O2 nel 2017).

 

Arriva KAGRA!

 Come ciliegina sulla torta, l'altro ieri è stato firmato un protocollo di intesa tra le istituzioni coinvolte per l'ingresso, nel consorzio LIGO-Virgo, del "Kamioka Gravitational-Wave Detector" (KAGRA). Si tratta di un innovativo strumento giapponese, l'unico per ora a lavorare a temperature criogeniche e nel sottosuolo, che servirà a migliorare ulteriormente la sensibilità e la risoluzione angolare del sistema. In prospettiva, esso farà da apripista alla prossima generazione di antenne gravitazionali, che faranno uso appunto di specchi criogenici per ridurre il rumore termico; tra queste antenne di terza generazione, la più importante sarà quella dell'osservatorio Einstein europeo, che potrebbe sorgere in Sardegna.

timeline 7c

Schedula dei cicli di osservazione delle varie antenne, con l'indicazione della distanza entro cui saranno rivelabili fusioni tra stelle di neutroni (BNS); le date future sono puramente indicative - Credits: Abbott et al. / "Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA" / KAGRA-LIGO-Virgo collaborations - Update/improvement: Marco Di Lorenzo

 KAGRA comincerà a lavorare il prossimo Dicembre e condividerà le misure in tempo reale con i partner durante gli ultimi mesi del ciclo O3. Verrà poi ulteriormente potenziata, come del resto anche LIGO e Virgo che, nel giro di 1-2 anni da ora, raggiungeranno le prestazioni massime di progetto. Nel frattempo, verso metà del prossimo decennio, si dovrebbe aggiungere una quinta antenna in India; sarà una copia delle antenne LIGO ed è stata battezzata IndIGO.

 

Riferimenti:

http://www.virgo-gw.eu/#news

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20191004

http://www.gw-indigo.org/tiki-index.php?page=LIGO-India

 

Altre informazioni su questo articolo

Read 193 times Ultima modifica Mercoledì, 30 Ottobre 2019 16:51
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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