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3 Aprile 2024

Ripartirà la prossima settimana la campagna di osservazioni dei rivelatori LIGO e Virgo, che promettono di raccogliere più di 200 eventi di onde gravitazionali entro la fine dell’attuale periodo di osservazione (O4). Gli astronomi sperano anche che vengano rilevati nuovi eventi multi-messaggero, osservati cioè sia con le onde gravitazionali che da altri telescopi con quelle elettromagnetiche.

La collaborazione LIGO – Virgo – KAGRA inizierà la seconda parte del suo quarto ciclo di osservazione (O4b) il 10 aprile. Il rivelatore europeo Virgo, in Italia, vicino a Pisa, si unirà in questo ciclo di osservazioni ai due interferometri LIGO negli Stati Uniti, che hanno condotto la prima parte del ciclo (O4a) da maggio 2023 a gennaio 2024. Si prevede che O4b si concluda all’inizio del 2025.

“Gli osservatori di onde gravitazionali sono progetti all’avanguardia e, come tali, devono affrontare molte sfide. Oggi siamo molto lieti di unirci al nuovo ciclo di osservazione. Il contributo di Virgo sarà fondamentale per migliorare la localizzazione di eventi multi-messaggero, che ci aspettiamo di rilevare in questa seconda fase del run”, afferma il portavoce di Virgo e ricercatore INFN Gianluca Gemme.

“L’astronomia delle onde gravitazionali è diventata un metodo fondamentale per osservare il nostro Universo. Con i dati di questo ciclo di osservazioni contribuiremo ulteriormente ad ampliare in modo significativo i nostri orizzonti e le nostre conoscenze sulle parti più oscure e violente dell’Universo”, afferma Patrick Brady, portavoce della Collaborazione Scientifica LIGO.

I due rivelatori LIGO hanno iniziato O4 il 24 maggio 2023, con una pausa a partire dal 16 gennaio 2024 per manutenzione e upgrades. Virgo ha deciso nel maggio 2023 di estendere le sue attività di commissioning (ovvero di messa a punto dell’esperimento) fino al 2024 per mitigare l’impatto di diverse fonti di rumore. Il rivelatore KAGRA in Giappone si era unito a O4a per un mese prima di riprendere le attività di commissioning. Attualmente l’esperimento è in fase di ripresa dai danni causati dal terremoto della penisola di Noto (magnitudo 7,6, a 120 km dal sito di KAGRA) del 1° gennaio 2024.

Portare l’astronomia al livello successivo

La durata del ciclo osservativo O4 è prevista per un totale di 18 mesi, escluse le pause di commissioning. Nei soli primi sette mesi e mezzo (O4a), i due rivelatori LIGO hanno identificato 81 candidati eventi gravitazionali altamente probabili, confermando la frequenza di rilevamento prevista di un evento ogni 2 o 3 giorni. Alla fine di questo periodo di osservazione, nel febbraio 2025, assumendo una frequenza simile, il numero totale di segnali gravitazionali osservati potrebbe superare i 200.

L’enorme quantità di dati di O4a è ancora in fase di analisi e gli scienziati della collaborazione scientifica LIGO – Virgo – KAGRA prevedono che O4 manterrà la promessa di portare l’astronomia delle onde gravitazionali a un ulteriore livello.

Alcune delle osservazioni astrofisiche più significative saranno annunciate già nei prossimi mesi. Certamente la maggiore sensibilità dei rivelatori migliorerà ulteriormente la capacità degli scienziati di verificare la teoria della relatività generale di Einstein e di descrivere le popolazioni di buchi neri e stelle di neutroni nell’Universo locale.

Lo stato dei rivelatori

Virgo

“Affrontare le sfide è parte integrante delle imprese alla frontiera della scienza e della tecnologia, come l’aggiornamento e la messa in funzione di un rivelatore di onde gravitazionali”, ha dichiarato il portavoce di Virgo e ricercatore INFN Gianluca Gemme. “La buona notizia è che, dopo un lungo periodo di messa a punto e molte difficoltà, siamo riusciti a migliorare la sensibilità del rivelatore fino a 60 Mpc, che è pari ai livelli più alti raggiunti da Virgo in passato. Non abbiamo ancora raggiunto i nostri obiettivi di progetto, per cui il lavoro per migliorare ulteriormente la sensibilità continuerà durante la presa dati”.

Virgo rivela quindi la collisione ‘standard’  di due stelle di neutroni fino a una distanza di 60 Megaparsec (Mpc), ovvero a circa 220 milioni di anni luce dalla Terra (naturalmente, eventi più violenti o più massicci, come le collisioni di buchi neri, sono rilevabili anche da zone molto più profonde dell’Universo).

LIGO

Vincenzo Napolano

Antonella Varaschin per apportare modifiche ai rivelatori. Uno degli sforzi principali ha riguardato il miglioramento dei sistemi ottici che “comprimono” la luce laser, consentendo ai rivelatori LIGO di superare i limiti di sensibilità imposti dalla meccanica quantistica. Un altro sforzo ha riguardato l’individuazione e l’isolamento delle fonti di rumore nelle numerose camere a vuoto delle sale sperimentali alle estremità dei bracci di 4 chilometri. Questi e altri perfezionamenti garantiranno che la tendenza al miglioramento della sensibilità e dei tempi di osservazione dimostrata durante O4a, che ha visto aumentare la sensibilità del rivelatore da circa 140 Mpc a oltre 160 Mpc, continui anche per O4b e oltre.

KAGRA

Il rivelatore KAGRA in Giappone, che aveva pianificato di unirsi ad O4b fin dall’inizio, si unirà al run negli ultimi mesi del 2024 dopo essersi ripreso dai danni causati in diverse strutture dell’esperimento dal terremoto della penisola di Noto (magnitudo 7,6, a 120 km dal sito di KAGRA) del 1° gennaio 2024. Nonostante i danni al tunnel, al sistema di vuoto e al sistema criogenico di KAGRA siano di lieve entità, 9 dei 20 sistemi di sospensione degli specchi devono essere riparati e questo causerà un ritardo di almeno sei mesi rispetto al piano precedente.

Il gruppo KAGRA terminerà questo lavoro di recupero il prima possibile, riprenderà la messa in funzione e poi si unirà a O4b con una sensibilità di circa 10 Mpc.

Gli obiettivi scientifici di questa campagna di osservazione

Nei prossimi mesi la speranza è naturalmente quella di poter rilevare nuovi eventi multi-messaggero, la cui emissione elettromagnetica possa essere osservata da altri telescopi sulla Terra o nello spazio, come nel caso dell’epocale osservazione del 17 agosto 2017 (GW170817) della fusione di due stelle di neutroni.

Virgo potrà dare un contributo significativo in particolare nel localizzare l’origine nel cielo di eventi eccezionali, come fusioni di stelle di neutroni, fusioni di un buco nero con una stella di neutroni o esplosioni di supernove, queste ultime mai osservate attraverso le onde gravitazionali.

Inoltre il potenziamento degli strumenti, i più accurati modelli di segnale e i metodi di analisi dei dati più avanzati aumenteranno le possibilità che dall’analisi dei dati emergano anche prove di segnali gravitazionali di altro tipo. Uno di questi potrebbe essere rappresentato dalle cosiddette onde gravitazionali continue, segnali con una frequenza quasi costante e ben definita, generati da stelle di neutroni in rotazione (pulsar) con una distribuzione asimmetrica della massa (per osservare un segnale di questa natura basterebbe una “montagna” di pochi millimetri di altezza sulla superficie della stella).

I nuovi dati di O4 potrebbero anche contribuire a estendere la nostra conoscenza del fondo gravitazionale primordiale: la sovrapposizione casuale di onde gravitazionali prodotte nelle prime fasi della nascita dell’Universo, nonché di fondi simili prodotti dalla combinazione di molti eventi simultanei, esplosioni o segnali continui provenienti da tutto l’Universo. L’individuazione di tale fondo stocastico, probabilmente dovuto a binarie di buchi neri supermassicci, è stata ottenuta di recente, da array di radiotelescopi come EPTA, InPTA, NANOGrav, PPTA e CPTA.

Ad ogni modo un gran numero di ricercatori di LIGO, Virgo e KAGRA sta lavorando intensamente all’analisi delle osservazioni effettuate in O4a, così come di quelle previste per i prossimi mesi.

Molte attività in vari ambiti di ricerca sono condivise tra le tre collaborazioni e sono rese possibili dai contributi di tutti.

Come nei precedenti cicli di osservazione, durante l’O4b verranno distribuiti pubblicamente avvisi sugli eventi di onde gravitazionali candidati. Le informazioni su come ricevere e interpretare gli avvisi pubblici sono disponibili sul sito https://wiki.gw-astronomy.org/OpenLVEM  .

Osservatori di onde gravitazionali

LIGO è finanziato dalla NSF e gestito da Caltech e dal MIT, che hanno ideato e realizzato il progetto. Il sostegno finanziario per il progetto Advanced LIGO è stato guidato dalla NSF, mentre la Germania (Max Planck Society), il Regno Unito (Science and Technology Facilities Council) e l’Australia (Australian Research Council) hanno assunto impegni e dato contributi significativi al progetto. Oltre 1.600 scienziati di tutto il mondo partecipano a questo sforzo attraverso la LIGO Scientific Collaboration, che comprende la GEO Collaboration. Altri partner sono elencati sul sito http://ligo.org/partners.php .

La Collaborazione Virgo è attualmente composta da circa 880 membri provenienti da 152 istituzioni di 17 paesi diversi (principalmente europei). L’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) ospita il rivelatore Virgo vicino a Pisa, in Italia, ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia e dall’Istituto Nazionale di Fisica Subatomica (Nikhef) nei Paesi Bassi. Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web di Virgo: https://www.virgo-gw.eu .

KAGRA è un interferometro laser con un braccio di 3 km di lunghezza a Kamioka, Gifu, Giappone. L’istituto ospitante è l’Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) dell’Università di Tokyo, mentre il progetto è ospitato dall’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone (NAOJ) e dalla High Energy Accelerator Research Organization (KEK). La collaborazione KAGRA è composta da oltre 400 membri provenienti da 128 istituti di 17 Paesi/regioni. Le informazioni su KAGRA per il pubblico generale sono disponibili all’indirizzo https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/ . Le risorse per i ricercatori sono accessibili da http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA .