35 nuove onde dello spazio-tempo rivelate da Virgo e LIGO

I 35 nuovi eventi rivelati dalle collaborazioni LIGO e Virgo nel loro ultimo periodo osservativo portano a 90 il totale delle onde gravitazionali rivelate ad oggi dalla rete globale formata dai tre interferometri.

La maggior parte dei nuovi segnali ha origine dallo spiraleggiamento e  fusione  di due buchi neri: scuotimenti cosmici che fanno vibrare il tessuto dello spazio-tempo, generando una potente esplosione di onde gravitazionali. Altri due eventi, di cui uno già riportato lo scorso giugno, sono stati invece indentificati come fusioni tra una stella di neutroni e un buco nero, una sorgente osservata per la prima volta in quest'ultimo periodo osservativo di LIGO-Virgo. Un altro evento, rivelato nel febbraio del 2020, potrebbe invece provenire da una coppia di buchi neri oppure da una coppia mista formata da un buco nero e una stella di neutroni.

I dati, pubblicati oggi nel terzo catalogo, delineano le caratteristiche di nuove popolazioni di buchi neri, le masse dei quali, insieme a quelle delle stelle di neutroni osservate, potrebbero fornire indizi su come le stelle vivono e muoiono, allargando ulteriormente gli orizzonti dell'astronomia gravitazionale.

Il Catalogo è accompagnato da altre tre pubblicazioni, centrate sulle conseguenze cosmologiche e astrofisiche dei risultati e sulla ricerca multimessaggera di segnali di onde gravitazionali in coincidenza con 86 lampi di raggi gamma (in inglese Gamma Ray Bursts) osservati nello spazio dagli strumenti Fermi/GBM e Swift/BAT durante la seconda parte del terzo periodo osservativo. Non è stata osservata nessuna corrispondenza con onde gravitazionali; parallelamente, non è stato riportato alcun segnale di tipo diverso (per esempio luce e neutrini) da parte di osservatori sulla Terra o nello spazio alla ricerca di segnali a seguito delle onde gravitazionali, segnali cioè che potrebbero essere emessi dalla stessa sorgente che ha prodotto le onde gravitazionali.

Le collaborazioni scientifiche LIGO, Virgo e KAGRA pubblicano oggi anche  l'intero insieme dei dati calibrati registrati dai rivelatori LIGO e Virgo da novembre 2019 a marzo 2020. Ciò permette alla comunità scientifica di realizzare analisi e controlli indipendenti, massimizzando la ricchezza dei risultati scientifici.

I progressi fatti in pochi anni dagli scienziati nel campo delle onde gravitazionali sono stupefacenti, passando dalla prima rivelazione all'osservazione di diversi eventi al mese. Ciò è stato possibile grazie ad un programma di continui miglioramenti tecnologici che hanno trasformato i primi, pionieristici strumenti in rivelatori sempre più sensibili. L'aumento della sensibilità dei rivelatori grazie agli aggiornamenti tecnologici è evidente, considerando che dei 90 eventi di onde gravitazionali pubblicati ad oggi, 79 si riferiscono esclusivamente al più recente periodo osservativo, che si è svolto da aprile 2019 a marzo 2020.

Gli osservatori LIGO e Virgo sono attualmente in fase di ulteriore aggiornamento ed inizieranno il loro quarto periodo osservativo, nella seconda metà del 2022, con una sensibilità ancora più alta; saranno capaci di esplorare un volume dell'Universo quasi 10 volte più grande di prima e quindi ci sarà una probabilità corrispondentemente più alta di raccogliere segnali gravitazionali.

"Uno dei miglioramenti di Virgo che abbiamo realizzato è una sistema ottico, che sfrutta le proprietà quantistiche della luce, e permette di migliorare la banda di sensibilità del rivelatore alle alte frequenze", dice Fiodor Sorrentino, ricercatore dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e professore a contratto del Dipartimento di Fisica dell’Università di Genova, tra i responsabili del gruppo di ricerca che ha reso possibile il miglioramento della sensibilità di Virgo. "Ciò corrisponde ad un'accresciuta capacità del rivelatore di 'ascoltare' gli stadi finali della fusione di una coppia di oggetti pesanti come buchi neri o stelle di neutroni.”

La rete di osservatori di onde gravitazionali sarà affiancata nel prossimo periodo osservativo dal rivelatore giapponese KAGRA, attualmente in fase di completamento. L'espansione della rete di rivelatori accrescerà ulteriormente l'accuratezza della localizzazione delle sorgenti, una caratteristica chiave per i futuri sviluppi dell'astronomia multi-messaggera.
Queste scoperte, insieme alle altre impressionanti conquiste scientifiche di Virgo, in Europa, e LIGO, negli Stati Uniti, hanno dato inizio nell’ultimo quinquennio all’era dell’astronomia gravitazionale. Per sfruttare appieno il potenziale di questo nuovo modo di osservazione dell’Universo, nella prossima decade entrerà in funzione una nuova generazione di osservatori. Einstein Telescope (ET) è un ambizioso progetto per la realizzazione di un futuro osservatorio europeo per le onde gravitazionali: un osservatorio pionieristico di terza generazione in grado di rivelare onde gravitazionali con una sensibilità che consentirà di esplorare una porzione di universo di gran lunga maggiore rispetto ad ora.
L’Italia attraverso il MUR Ministero dell’Università e della Ricerca ha candidato Einstein Telescope per la Roadmap 2021 della European Strategy Forum on Research Infrastructure (ESFRI), il forum strategico europeo che individua le grandi infrastrutture di ricerca su cui investire a livello europeo. Dopo un lungo e accurato processo di valutazione dei progetti candidati, il 30 giugno, l’Assemblea di ESFRI ha approvato ET, che entra in questo modo nel novero delle grandi infrastrutture di ricerca su cui l’Europa punterà nel prossimo futuro.
Il consorzio internazionale, a guida italiana, promotore del progetto ET vede un’importante partecipazione di ricercatori della sezione di Genova dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e del Dipartimento di Fisica dell’Università di Genova, con Gianluca Gemme, Dirigente di Ricerca dell’INFN, alla guida del gruppo di lavoro incaricato della stesura del progetto tecnico-scientifico che servirà da base per la realizzazione del progetto.

Rivelazioni di onde gravitazionali
Le 90 fusioni di sistemi binari che sono state osservate fino ad ora dalla rete di rivelatori di Advanced LIGO e Advanced Virgo

L'immagine mostra le 90 fusioni di sistemi binari che sono state osservate fino ad ora dalla rete di rivelatori di Advanced LIGO e Advanced Virgo. Ogni quadrato rappresenta un evento, con il nome in fondo al quadrato. Le masse degli oggetti che si fondono (che possono essere buchi neri o stelle di neutroni) così come la massa dell'oggetto finale sono indicate in unità di massa solare. Il colore di ogni quadrato è associato ai tre periodi osservativi durante i quali l'evento è stato osservato: O1, nel 2015-16; O2, nel 2016-17; e O3, nel 2019-20. L'aumento del numero di eventi in O3 è stato reso possibile grazie all'aumentata sensibilità di tutti e tre i rivelatori della rete. Si noti che viene mostrato anche GW200105, anche se viene considerato un evento marginale (con ciò si intende che la sua origine astrofisica è considerata incerta), e questo spiega perché ci sono 91 quadrati.