Friday, 21 Sep 2018

Astronomia gravitazionale

di Stefania de Luca

Alcuni fisici hanno dubitato dell’esistenza di onde gravitazionali prima della scoperta di LIGO nel 2015. Le distorsioni nello spazio-tempo – conseguenza inevitabile della teoria generale della relatività di Einstein – si propagano in tutto l’universo quasi senza impedimenti. Nel 1974, sono state confermate indirettamente quando i ricercatori hanno esaminato i flash radio emessi dalla fusione di un paio di stelle di neutroni; i cambiamenti nei tempi di lampeggiamento corrispondevano a previsioni di come le onde gravitazionali avrebbero portato via l’energia dall’evento. Quella scoperta è stata premiata con il Premio Nobel per la Fisica del 1993.

Ma rivelare tali onde era un compito monumentale. Anche le deformazioni più potenti – quelle prodotte dal collasso di stelle o collisioni di buchi neri – sarebbero tipicamente minuscole nel momento in cui raggiungono la Terra. Le onde rilevate nel 2015 hanno allungato e spremuto i tubi a vuoto perpendicolari di 4 chilometri di LIGO per una frazione di larghezza del protone, ma sufficiente a spostare notevolmente la sincronizzazione dei raggi laser che rimbalzano all’interno dei tubi.

Fusione di due buchi neri rivelati da LIGO – simulazione a computer

Quest’anno finalmente lo sforzo decennale di oltre 1000 persone è stato premiato con l’assegnazione del Nobel Prize 2017 per la Fisica alla scoperta delle onde gravitazionali.

Tre fisici che hanno avuto un ruolo primario nella rivelazione della prima onda son stati premiati: Rainer Weiss, presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge, Barry Barish e Kip Thorne, entrambi presso la California Institute of Technology di Pasadena  condividono il premio di 9 milioni di corone svedesi (US $ 1,1 milioni) per il loro lavoro presso il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti, che nel settembre 2015 hanno raccolto le deformazioni nello spazio-tempo causate dalla collisione di due buchi neri distanti.

Weiss e Thorne sono due dei tre fisici conosciuti come la troika – i fondatori degli interferometri giganti di LIGO a Livingston, in Louisiana e ad Hanford, Washington. Il terzo membro della troika, Ronald Drever è morto il 7 marzo di quest’anno. Barish, direttore LIGO dal 1997 al 2005, è ampiamente accreditato per aver trasformato la collaborazione da un tentativo caotico ad una macchina ben lubrificata.

La storia della collaborazione LIGO è molto lunga: negli anni ’60 del secolo scorso si pensò all’uso di interferometri laser per la rivelazione delle onde gravitazionali, Weiss fece i primi calcoli dettagliati su come avrebbe  funzionato un interferometro nel 1972. L’idea sembrava così lontana che anche lui non era molto sicuro che fosse una buona idea! Poi, negli Stati Uniti costruì il suo primo prototipo di interferometro alla metà degli anni ’70, presto seguito da ricercatori in Europa – tra questi, Drever e i suoi collaboratori all’Università di Glasgow, Regno Unito, e un altro gruppo a Monaco di Baviera, Germania. Quando, ad una conferenza a Washinton D.C. nel 1975,  Weiss incontrò Thorne – specializzato in relatività generale – si convinsero che gli interferometri erano l’approccio giusto per rivelare queste onde. Thorne, Weiss e Drever hanno unito le forze nei primi anni ottanta, quando è emerso che la National Science Foundation USA non avrebbe finanziato due sforzi separati e la nascita della collaborazione LIGO.

La troika non sempre lavorava senza problemi e, a propria ammissione, non aveva le competenze giuste per gestire ciò che stava rapidamente diventando una vasta operazione. Le cose migliorarono notevolmente dopo che Barish, principale investigatore di LIGO dal 1994, è diventato direttore nel 1997. LIGO inizialmente lottò per ottenere finanziamenti, ma finì per essere l’esperimento più grande e più costoso della storia della National Science Foundation USA. I suoi due rivelatori quasi identici sono stati avviati per la prima volta nel 2002, con una minima possibilità di rivelare qualcosa durante la loro prima fase di raccolta dati. L’osservatorio si è chiuso nel 2010 per un grande rinnovo ed è stato riavviato nel settembre 2015, tre volte più sensibile di prima. I ricercatori sono stati prudentemente ottimisti in una scoperta entro pochi anni. Ma l’universo è stato gentile con LIGO, fornendo un evento catastrofico già il 14 settembre, mentre gli interferometri erano ancora in calibrazione, giorni prima della loro partenza ufficiale. Da allora, LIGO ha rilevato almeno altri tre eventi di onde gravitazionali – il più recente anche rilevato da VIRGO, un’interferometro simile a quelli di LIGO, ma in Italia a Pisa.

Il contributo dell’Italia a questa scoperta è notevole. “Ci congratuliamo con i vincitori del Premio Nobel e con tutti coloro che negli anni hanno lavorato strenuamente per raggiungere questo importante risultato della fisica, tra cui molti italiani, primo fra tutti Adalberto Giazotto, che ha dato un contributo fondamentale, individuando nella capacità di rivelare segnali a bassa frequenza la chiave del successo, e che già nel 2001 aveva proposto di realizzare una rete mondiale di interferometri”, dice Fernando Ferroni, presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN. “Come collaborazione Virgo accogliamo con entusiasmo la notizia del conferimento del premio Nobel per la fisica 2017 a Kip Thorne, Rainer Weiss e Barry Barish: la prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali annunciata dalle collaborazioni LIGO e VIRGO rappresenta uno dei risultati più importanti nella storia della fisica, e segna l’inizio di una nuova scienza, l’astronomia gravitazionale”, spiega Gianluca Gemme, che coordina la partecipazione nazionale dell’INFN al progetto VIRGO. “Il premio – prosegue Gemme – è un riconoscimento al talento individuale e al lavoro collettivo di oltre mille fisici, ingegneri e tecnici, provenienti da ogni parte del mondo”. “L’Italia e i suoi centri di ricerca hanno avuto un ruolo di primissimo piano nella scoperta delle onde gravitazionali grazie al progetto VIRGO, nato dall’idea di Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet”. VIRGO ha rappresentato un grande passo avanti nella tecnologia degli interferometri: è stato, infatti, il primo rivelatore al mondo capace di scendere alle basse frequenze, aprendo la strada all’americano Advanced LIGO. Adalberto Giazotto è stato inoltre il pioniere dell’idea della rete globale di rivelatori, che da oltre un decennio, grazie alla stretta collaborazione tra LIGO e VIRGO, è diventata una realtà e ha contribuito in maniera determinante alla scoperta che oggi viene celebrata”, conclude Gianluca Gemme. “Questo premio è uno straordinario riconoscimento per un’intera comunità”, commenta Giovanni Losurdo, ricercatore INFN responsabile del progetto Advanced VIRGO, che ha consentito all’esperimento europeo di unirsi ai due LIGO. “Una comunità – prosegue Losurdo – che, per decenni, ha perseguito una linea di ricerca del tutto nuova realizzando macchine come LIGO e VIRGO, e che è stata in grado di aprire una nuova finestra osservativa sul cosmo: un contributo non solo scientifico, ma al patrimonio culturale universale”. “Siamo appena all’inizio di una nuova avventura, di cui l’INFN e l’Italia sono tra i protagonisti. Altre scoperte da Nobel certamente seguiranno nei prossimi anni”, conclude Losurdo.

Per la prima volta, ora,  possiamo testare la natura di polarizzazioni d’onda gravitazionali dalla risposta dell’antenna della rete LIGO-Virgo, consentendo così una nuova classe di prove fenomenologiche di gravità.

GW 170814

Il rivelatore Advanced Virgo si è unito alla seconda osservazione, che è cominciata il 1 agosto 2017.
Il 14 agosto 2017, sono state osservate in tutti e tre i rivelatori onde gravitazionali (GW) provenienti dalla coalescenza di due buchi neri ad una distanza di luminosità di ~540 Mpc, corrispondente ad un redshift di ~ z=0.11, con masse di ~30,5 e ~25,3 M-solari. Il segnale è stato osservato per la prima volta dal rilevatore di LIGO a Livingston alle 10.30.43 UTC, e poi dai rivelatori di LIGO ad Hanford e di Virgo a Pisa con un ritardo rispettivamente di ~8 ms e ~ 14 ms. La serie temporale del rapporto segnale / rumore (SNR), la frequenza temporale rappresentata dai dati del ceppo e della serie temporale dei dati dei tre rivelatori insieme a quelli dedotti dalla forma d’onda della GW, sono mostrati in figura.

Finchè Advanced Virgo non ha funzionato, le stime tipiche di localizzazione per le GW erano altamente incerte rispetto ai campi di vista della maggior parte dei telescopi. La linea di base formata dai due rilevatori LIGO hanno permesso di localizzare la maggior parte delle fusioni in regioni approssimativamente anulari che vanno da centinaia a circa mille gradi quadrati; Virgo aggiunge ulteriori linee basilari indipendenti, che in casi come GW170814 possono ridurre l’incertezza posizionale per un ordine di grandezza o più.
Sono stati eseguiti test di relatività generale (GR) nel forte regime di campo con i segnali delle fusioni di BBH rivelati dagli interferometri LIGO. In GR, le GW sono caratterizzate solo da due polarizzazioni di tensore (spin-2), mentre le teorie metriche generiche possono consentire fino a sei polarizzazioni. Dato che i due interferometri LIGO hanno orientamenti simili, utilizzando solo quelli si possono ottenere solo poche informazioni sulle polarizzazioni delle onde gravitazionali. Con l’aggiunta di Advanced Virgo possiamo sondare geometricamente, per la prima volta, le polarizzazioni dell’onda gravitazionale proiettando l’ampiezza dell’onda sui tre rilevatori. Con questi test, troviamo che GW170814 è coerente con la GR.

L’evento GW70814 osservato da LIGO Hanford, LIGO Livingston e Virgo Pisa. I tempi sono mostrati dal 14 agosto 2017, 10:30:43 UTC. Riga superiore: serie temporali SNR prodotte a bassa latenza e utilizzate dalla pipeline di localizzazione a bassa latenza il 14 agosto 2017. La serie temporale è stata prodotta dallo spostamento temporale del modello della migliore partita dall’analisi in linea e calcolando l’integrato SNR ad ogni punto del tempo. Le SNR a singolo rivelatore a Hanford, Livingston e Pisa sono rispettivamente di 7,3, 13,7 e 4,4. Seconda fila: Rappresentazione in tempo di frequenza dei dati di strain intorno all’ora di GW170814. Riga inferiore: dati del rivelatore di dominio di tempo (a colori), e gli intervalli di confidenza del 90% per le forme d’onda ricostruite da un’analisi wavelet indipendente dalla morfologia (grigio chiaro) e i modelli di BBH descritti nella sezione Source Property (grigio scuro), sbiancati da densità spettrale dell’ampiezza di rumore di ciascun strumento 20 Hz e 1024 Hz. Per questa figura i dati sono stati anche bassi con una cifra di 380 Hz per eliminare il rumore fuori banda. L’imbiancatura sottolinea diverse bande di frequenza per ogni rivelatore, ecco perché l’evoluzione dell’ampiezza della forma d’onda ricostruita appare diversa in ogni colonna. Gli assi ordinati a sinistra vengono normalizzati in modo tale che il ceppo fisico della forma d’onda sia preciso a 130 Hz. Gli assi di ordinamento di destra è in unità di ceppo sbiancato diviso per la radice quadrata della larghezza di banda effettiva (360 Hz), con conseguente deviazioni standard di unità di rumore. [“GW170814 : A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence”, The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration, 2017]

Si pensa che alcune fusioni di oggetti compatti producano non solo GW, ma anche emissioni elettromagnetiche a banda larga. LIGO e Virgo stanno distribuendo avvisi per localizzazioni degli eventi GW ad un consorzio costituito da strutture terrestri e spaziali che sono alla ricerca di raggi gamma, raggi X, ottici, vicino infrarosso, radio e controparti di neutrino.
Ai fini della ricostruzione della posizione, la rete di rivelatori di GW LIGO-Virgo può essere considerata come una serie di antenne. Ogni rivelatore singolo fornisce solo un minimo di informazioni sulla posizione. Tuttavia, con una rete di rivelatori, la posizione del cielo può essere dedotta dalla triangolazione impiegando le differenze di tempo, le differenze di fase e i rapporti di ampiezza all’arrivo nei siti. Una rapida localizzazione iniziale è stata eseguita da coerente triangolazione delle stime del filtro corrispondente ai tempi, ampiezze e fasi all’arrivo. La localizzazione è stata poi raffinata progressivamente, utilizzando modelli di forme d’onda più sofisticate e trattamento di sistemi di calibrazione. La localizzazione di GW170814 è mostrata nella figura sotto. Per la rapida localizzazione di Hanford e Livingston, il 90% di area credibile nel cielo è pari a 1160 deg2 e si restringe a 100 deg^2 quando vengono inclusi i dati di Virgo. Il parametro completo di stima restringe ulteriormente la posizione ad un’area di 60 deg^2.

Sono state condotte osservazioni di follow-up di GW170814 da 25 strutture per la ricerca di neutrini, raggi gamma, raggi X, ottico e vicino  infrarosso, ma finora non sono state riportate controparti.

Localizzazione di GW170814. La rapida localizzazione utilizzando i dati dei due siti LIGO è indicata in giallo, con l’inclusione dei dati di Virgo mostrati in verde. La piena localizzazione bayesiana è mostrata in viola. I contorni rappresentano le regioni credibili del 90%. Il pannello di sinistra è una proiezione ortogonale e l’inserto al centro è una proiezione gnomonica; entrambi sono in coordinate equatoriali. L’inserto a destra mostra la distribuzione di probabilità posteriore per la distanza di luminosità, marginalizzata su tutto il cielo [“GW170814: A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence” The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration, 2017]

In conclusione, Il 14 agosto 2017, è stato osservato, con i rivelatori LIGO-Virgo un segnale di GW proveniente dalla fusione di due buchi neri di massa stellare. La rete d interferometri che ha rivelato GW170814 ha permesso anche una significativa riduzione del volume di ricerca della sorgente. Le caratteristiche del buco nero di GW170814 sono simili a GW150914 e GW170104, e risultano essere coerenti con la popolazione astrofisica e la percentuale di fusione determinata con rilevazioni precedenti. L’aggiunta di Virgo ha permesso per la prima volta di sondare il contenuto di polarizzazione del segnale.

Fonte: [GW170814: A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence, The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration, 2017]

Fonte: Gravitational wave detection wins physics Nobel – Nature

Fonte: INFN

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare

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