Gli astronomi hanno pubblicato il più grande catalogo di onde gravitazionali mai realizzato

Il catalogo di transienti di onde gravitazionali-5.0 (GWTC-5), recentemente pubblicato, è stato reso disponibile online, insieme ai relativi articoli di ricerca inviati all’Astrophysical Journal e all’Astrophysical Journal Letters .

L’ultimo catalogo include 161 nuovi segnali provenienti da buchi neri in collisione, rilevati tra aprile 2024 e la fine di gennaio 2025 dai rivelatori LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Italia e KAGRA in Giappone. Insieme, questi strumenti costituiscono la collaborazione internazionale LVK. Con queste aggiunte, il numero totale di rilevamenti confermati di onde gravitazionali ha raggiunto quota 390.

Il catalogo ampliato comprende diverse scoperte di fondamentale importanza. Tra queste, nuove prove dell’esistenza di buchi neri di seconda generazione, la localizzazione celeste più precisa mai ottenuta per una sorgente di onde gravitazionali e la prima misurazione di tre modi vibrazionali provenienti da un buco nero.

Decenni di lavoro alla base delle scoperte

I ricercatori dell’Università di Glasgow si occupano di scienza delle onde gravitazionali fin dagli anni ’70. Il loro team ha svolto un ruolo di primo piano nella progettazione dei sistemi di sospensione a specchio ultra sensibili utilizzati nell’osservatorio di onde gravitazionali a interferometro laser della National Science Foundation (NSF LIGO) statunitense, una tecnologia essenziale per rilevare le minuscole distorsioni dello spaziotempo causate dalle onde gravitazionali.

Dalla prima rilevazione diretta di onde gravitazionali nel settembre 2015, i ricercatori di Glasgow hanno continuato a lavorare a fianco degli scienziati della collaborazione LVK per migliorare sia le prestazioni del rivelatore che le tecniche di analisi dei dati. Con l’aumentare della sensibilità degli strumenti, il numero di scoperte ha continuato a crescere.

Durante le sessioni di osservazione, la rete rileva attualmente circa tre o quattro eventi di onde gravitazionali a settimana. Gli scienziati prevedono che questo tasso aumenterà ulteriormente con i futuri aggiornamenti che miglioreranno la sensibilità dei rivelatori.

La collaborazione alterna fasi di osservazione per la raccolta di dati scientifici a periodi dedicati alla messa in servizio e all’aggiornamento dei rivelatori. Grazie a questo ciclo, il catalogo validato delle onde gravitazionali, comprensivo delle proprietà della sorgente e di altre misurazioni, viene in genere aggiornato e condiviso con la comunità scientifica ogni sei mesi circa.

Il dottor Daniel Williams, ricercatore presso l’Istituto per la Ricerca Gravitazionale, è co-presidente del Gruppo di Lavoro sulla Scienza delle Binarie Compatte dell’LSC. Ha dichiarato:

“Questo corposo aggiornamento ha ancora una volta ampliato e approfondito la nostra conoscenza dell’Universo, offrendoci molti altri scorci dei suoi oggetti più sfuggenti: i buchi neri in collisione.”

“Solo dieci anni fa abbiamo effettuato la prima rilevazione di onde gravitazionali provenienti da uno di questi eventi, ed è una vera testimonianza del lavoro di centinaia di scienziati in tutto il mondo il fatto che ora ne rileviamo e analizziamo centinaia.”

“A Glasgow siamo stati all’avanguardia nello sviluppo di nuove tecnologie per rendere i rivelatori più sensibili, permettendoci di osservare un numero maggiore di questi segnali, con maggiore chiarezza, e provenienti da collisioni molto più distanti rispetto a dieci anni fa. Siamo inoltre leader nello sviluppo di analisi critiche che ci consentono di estrarre moltissime informazioni da ciascun segnale: decodificare le proprietà dei buchi neri che collidono a miliardi di anni luce dalla Terra, il tutto a partire da una misurazione che sposta i nostri rivelatori di una frazione delle dimensioni di un nucleo atomico.”

Scoperte da record nel campo delle onde gravitazionali

Oltre ad aumentare drasticamente il numero di eventi di onde gravitazionali conosciuti, GWTC-5 include diverse osservazioni che hanno stabilito record completamente nuovi per il settore.

Tra i risultati più significativi figurano la sorgente di onde gravitazionali localizzata con maggiore precisione mai osservata, il segnale di onde gravitazionali più nitido mai registrato e ulteriori prove a sostegno dell’esistenza dei buchi neri di seconda generazione.

Un evento particolarmente importante, noto come GW240615, è stato rilevato dai due osservatori LIGO negli Stati Uniti insieme a Virgo in Italia il 15 giugno 2024. Questa osservazione ha permesso di ottenere la localizzazione celeste più precisa di qualsiasi sorgente di onde gravitazionali fino ad oggi.

Gli scienziati hanno ristretto l’origine del fenomeno a un’area di soli sei gradi quadrati, una regione di cielo straordinariamente piccola. L’evento si è verificato quando due buchi neri con masse pari a circa 26 e 30 volte quella del Sole si sono fusi a più di tre miliardi di anni luce dalla Terra.

Misurare l’espansione dell’universo

Alex Papadopoulos, ricercatore post-dottorato presso l’Istituto per la Ricerca Gravitazionale, ha spiegato che il catalogo ampliato sta anche aiutando gli scienziati ad affrontare uno dei più grandi interrogativi irrisolti della cosmologia: a che velocità si sta espandendo l’Universo.

Ha detto:

“Il catalogo GWTC-5.0 aggiornato ci fornisce una raccolta molto più ampia di segnali di onde gravitazionali che ci aiuteranno a rispondere a una delle domande più importanti della cosmologia: quanto velocemente si sta espandendo l’Universo?“

“Il tasso di questa espansione è descritto da un valore chiamato costante di Hubble. Le onde gravitazionali ci permettono di misurarlo stimando la distanza degli oggetti in fusione, direttamente dal segnale stesso o identificando la galassia in cui è avvenuta la fusione.”

“Uno dei principali miglioramenti di GWTC-5.0 rispetto ai cataloghi precedenti è l’inclusione delle osservazioni del rivelatore Virgo, tornato attivo dopo non aver partecipato alla precedente sessione di osservazione. Grazie a questo rivelatore aggiuntivo, possiamo individuare con maggiore precisione la posizione dei segnali di onde gravitazionali nel cielo, facilitando l’identificazione della galassia ospite di ciascuna fusione. La nostra libreria ampliata di rilevamenti ci ha inoltre permesso di utilizzare 236 segnali, quasi il doppio rispetto al numero precedente, nelle nostre analisi. Ogni evento contribuisce con una piccola quantità di informazioni, quindi, nel complesso, questi segnali aggiuntivi migliorano significativamente i nostri risultati.”

“Nel loro insieme, questi miglioramenti ci aiutano a misurare la costante di Hubble con una precisione senza precedenti utilizzando le onde gravitazionali, avvicinandoci alla comprensione di una delle questioni aperte più importanti della fisica moderna.”

“A Glasgow abbiamo sviluppato e testato un software che permette di eseguire questa analisi oltre mille volte più velocemente di prima, anche con il crescente numero di segnali di onde gravitazionali presenti nel catalogo. Questa accelerazione ci ha permesso di testare molti più scenari possibili e di verificare che i nostri risultati fossero il più possibile robusti e affidabili, grazie al coordinamento di questo lavoro da parte del nostro Istituto per la Ricerca Gravitazionale.”

Il segnale di onde gravitazionali più chiaro mai rilevato

Individuare un’onda gravitazionale implica molto più che la semplice registrazione di un segnale. Gli scienziati devono separare la debole increspatura dello spaziotempo dal rumore di fondo costantemente presente nei rivelatori. Questo processo richiede un’analisi dei dati sofisticata, motivo per cui i ricercatori descrivono l’intensità di un segnale utilizzando il suo rapporto segnale/rumore (SNR).

Tra gli eventi presenti nel nuovo catalogo spicca l’onda gravitazionale più nitida mai osservata. Il segnale ha raggiunto un rapporto segnale/rumore (SNR) di 76,9, risultando la rilevazione più forte mai registrata.

Conosciuto come GW250114, il segnale ha raggiunto la Terra il 14 gennaio 2025. È stato prodotto dalla fusione di due buchi neri con masse molto simili (rispettivamente 32 e 34 volte la massa del Sole) a più di un miliardo di anni luce di distanza.

Grazie all’eccezionale chiarezza del segnale, i ricercatori sono stati in grado di effettuare alcuni dei test più dettagliati mai condotti utilizzando le onde gravitazionali. Tra questi, il test più preciso della relatività generale fino ad oggi e la conferma del teorema dell’area dei buchi neri di Stephen Hawking.

Il dottor John Veitch, accademico dell’Università di Glasgow che analizza i segnali dei buchi neri, ha affermato:

“Grazie all’intensità di GW250114 siamo stati in grado di confrontare lo spaziotempo distorto prima e dopo la fusione dei buchi neri, e abbiamo scoperto che l’area totale degli orizzonti degli eventi (la superficie di ‘non ritorno’) è aumentata in accordo con le leggi di Hawking della meccanica dei buchi neri.”

“Dopo la fusione, il buco nero finale risuona come una campana, emettendo onde gravitazionali anziché suono. L’analisi di queste onde ha confermato che, sebbene durante la fusione venga emessa energia sotto forma di onde gravitazionali, l’entropia totale dei buchi neri aumenta in accordo con la seconda legge della termodinamica. Ciò dimostra che anche per i buchi neri valgono le leggi della termodinamica, ma a differenza degli oggetti normali, più energia contengono, più diventano freddi.”

Prove dell’esistenza di buchi neri di seconda generazione

Il catalogo evidenzia anche due insolite fusioni di buchi neri rilevate a distanza di appena un mese l’una dall’altra verso la fine del 2024.

Il primo evento, GW241011, si è verificato a circa 700 milioni di anni luce dalla Terra. Il secondo, GW241110, ha avuto luogo a circa 2,4 miliardi di anni luce di distanza.

I ricercatori hanno scoperto che la rotazione dei buchi neri (ovvero l’orientamento e la velocità della loro rotazione) suggerisce che questi oggetti potrebbero essere buchi neri di seconda generazione. Invece di formarsi direttamente dal collasso di stelle, questi buchi neri potrebbero essersi già formati in seguito a precedenti fusioni di buchi neri, prima di collidere nuovamente.

Gli scienziati ritengono che fusioni ripetute come queste abbiano maggiori probabilità di verificarsi in ambienti affollati come gli ammassi stellari densi, dove i buchi neri hanno molte opportunità di interagire e infine collidere.

Costruire un censimento delle popolazioni dei buchi neri

Man mano che il numero di rilevamenti di onde gravitazionali continua a crescere, i ricercatori possono andare oltre lo studio dei singoli eventi e iniziare a esaminare la più ampia popolazione di buchi neri nell’Universo.

Uno degli articoli scientifici che accompagnano GWTC-5 si concentra specificamente sull’identificazione di schemi ricorrenti tra centinaia di sistemi di buchi neri e su ciò che tali schemi rivelano sulla formazione di questi oggetti.

Storm Colloms, ricercatore post-dottorato presso l’Istituto per la Ricerca Gravitazionale, ha dichiarato:

“Ho fatto parte del team che ha studiato i processi che portano alla fusione di buchi neri e stelle di neutroni, grazie alle più recenti osservazioni. Abbiamo analizzato 267 sorgenti, incluse 104 nuove osservazioni. Questo insieme di centinaia di osservazioni ci permette di misurare con precisione masse, spin e distanze di sistemi binari di buchi neri e di studiare le correlazioni tra queste proprietà. In particolare, abbiamo scoperto che i buchi neri con diverse masse presentano spin differenti, il che indica l’esistenza di percorsi di formazione distinti che danno origine a gruppi unici di sistemi.”

“Questa tendenza era già stata suggerita da osservazioni precedentemente pubblicate, GW241011 e GW241110, coppie di buchi neri con spin elevati e masse diverse, chiaramente misurate. Queste due osservazioni mostravano segni caratteristici che il buco nero più grande in ciascuna coppia non si era formato direttamente da una stella massiccia, ma da una precedente fusione di due buchi neri. Le tracce di buchi neri formatisi da precedenti fusioni persistono nell’intera popolazione, indicando che GW241011 e GW241110 non sono casi unici, ma tracciano una tendenza di fondo. Ora, abbiamo prove sempre più numerose che l’Universo crea buchi neri tramite fusione, oltre a quelli che provengono da stelle binarie massicce.”

“Le ultime misurazioni della popolazione di sorgenti di onde gravitazionali continuano ad avvicinarci a una chiara comprensione delle origini dei buchi neri binari e delle stelle di neutroni. Con le prossime campagne osservative e rivelatori più sensibili, otterremo misurazioni più precise delle singole sorgenti e aumenteremo il numero di sorgenti nei nostri cataloghi, consentendoci di studiare in modo sempre più dettagliato l’astrofisica della formazione degli oggetti compatti.”

Una nuova era per l’astronomia delle onde gravitazionali

Il rapido aumento delle rilevazioni di onde gravitazionali sta cambiando il modo in cui gli astronomi studiano l’Universo. Invece di concentrarsi su una manciata di eventi straordinari, i ricercatori ora dispongono di centinaia di osservazioni da confrontare, il che consente loro di scoprire schemi più ampi nella formazione e nell’evoluzione dei buchi neri e di altri oggetti compatti.

Secondo il dottor Daniel Williams, il catalogo in continua espansione rappresenta un cambiamento fondamentale in ciò che l’astronomia delle onde gravitazionali può realizzare.

Ha detto:

“Stiamo rilevando così tanti di questi segnali che non stiamo più solo imparando a conoscere singole collisioni; è l’equivalente astronomico della scoperta di un’antica civiltà. I ​​nuovi risultati odierni sono come il ritrovamento di un tesoro finora sconosciuto, che rivela non solo vite individuali, ma la struttura di un intero mondo perduto.”

Con il continuo miglioramento degli osservatori di onde gravitazionali, gli scienziati prevedono che il ritmo delle scoperte accelererà ulteriormente. Rivelatori più sensibili cattureranno un numero maggiore di fusioni di buchi neri e stelle di neutroni, producendo misurazioni sempre più precise e offrendo nuove prospettive su alcuni degli oggetti più estremi dell’Universo.

La pubblicazione di GWTC-5 rappresenta un’altra pietra miliare per la comunità internazionale delle onde gravitazionali. Oltre ad aggiungere 161 nuove rilevazioni al record scientifico, il catalogo fornisce un insieme di dati senza precedenti che i ricercatori possono utilizzare per studiare l’evoluzione dei buchi neri, testare le leggi della fisica in condizioni estreme e affinare le misurazioni dell’Universo in espansione.

Il contributo dell’Università di Glasgow a questo lavoro è stato reso possibile grazie ai finanziamenti del Science and Technology Facilities Council (STFC) dell’UKRI. Altri gruppi di ricerca britannici sulle onde gravitazionali che ricevono finanziamenti dall’STFC includono le Università di Birmingham, Cambridge, Cardiff, King’s College London, Nottingham, Portsmouth, Sheffield, Strathclyde, University College London, Queen Mary University e University of the West of Scotland.