I rilevatori di onde gravitazionali ora possono “autosintonizzare” i segnali per armonizzarli con i cieli

I ricercatori che studiano le onde gravitazionali e che lavorano con gli strumenti scientifici più sensibili al mondo hanno trovato un modo per sintonizzare i loro rilevatori utilizzando un processo simile alla correzione dell’intonazione impiegata nella produzione musicale.

Gli scienziati della collaborazione internazionale tra gli osservatori di onde gravitazionali LIGO, Virgo e KAGRA (LVK) hanno impiegato questa tecnica, che chiamano calibrazione astrofisica, per utilizzare i segnali delle onde gravitazionali e misurare la risposta dei loro strumenti incredibilmente sensibili.

Ciò consente loro di “udire” chiaramente i suoni di eventi cosmici colossali come la collisione di buchi neri, anche quando un rilevatore di onde gravitazionali è leggermente sfasato. Questo è fondamentale per interpretare con precisione i segnali e individuarne la sorgente.

Combinando i segnali provenienti da altri rilevatori con previsioni precise basate sulle leggi della gravità, i ricercatori possono identificare e tenere conto di sottili distorsioni nei dati. Il processo è simile a quello utilizzato dai software di produzione musicale come Auto-Tune per correggere l’intonazione errata di un cantante e farla coincidere con la nota desiderata in una melodia.

In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters , i ricercatori di LVK dimostrano come hanno trasformato la sfida di analizzare i dati raccolti da due segnali di onde gravitazionali rilevati quando LIGO Hanford era operativo, ma con prestazioni inferiori ai suoi standard abituali, in un’opportunità per migliorare la capacità di analisi dei dati della collaborazione. L’articolo è intitolato “GW240925 e GW250207: Calibrazione astrofisica dei rivelatori di onde gravitazionali”.

I risultati potrebbero aiutare le future sessioni di osservazione della rete internazionale di rivelatori LVK negli Stati Uniti, in Italia e in Giappone a garantire che producano risultati più affidabili, anche quando le circostanze di rilevamento non sono ideali.

Ascoltando le note più deboli dello spaziotempo

Il dottor Christopher Berry, dell’Istituto per la Ricerca Gravitazionale dell’Università di Glasgow, fa parte della collaborazione LVK ed è uno degli autori dell’articolo. Ha affermato: “Le onde gravitazionali sono increspature nello spaziotempo che dilatano e comprimono lo spazio. Sono minuscole quando raggiungono la Terra, milioni di anni dopo gli eventi che le hanno generate.”

“Non sono suoni che possiamo udire, ma i nostri rivelatori possono emettere segnali sotto forma di onde che possiamo amplificare per poterle ascoltare, con ogni segnale che produce il proprio caratteristico cinguettio. Questi cinguettii codificano una grande quantità di informazioni che possiamo analizzare per scoprire le loro origini: masse, spin, distanza e posizione.”

I segnali di onde gravitazionali che il team ha utilizzato per sviluppare la propria tecnica di calibrazione astrofisica sono tra i più forti mai rilevati dalla collaborazione. Il primo segnale, captato il 25 settembre 2024 e denominato GW240925, è stato prodotto dalla fusione di due buchi neri con una massa compresa tra nove e sette volte quella del nostro Sole, a più di un miliardo di anni luce di distanza.

Il secondo segnale, rilevato il 7 febbraio 2025 e denominato GW250207, è stato il secondo più intenso tra i quasi 200 rilevati dalla collaborazione nel decennio successivo alla prima rilevazione del 2015. È stato prodotto dalla collisione di due buchi neri con una massa compresa tra 35 e 30 volte quella del nostro Sole, a circa 600 milioni di anni luce dalla Terra.

Trasformare i problemi dei rilevatori in progressi

La collaborazione LVK può essere fiduciosa dei propri risultati grazie al lavoro svolto per superare le incertezze iniziali introdotte dai problemi con il rivelatore del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation statunitense a Hanford, Washington.

Per GW240925, si è verificato un errore temporaneo nella calibrazione, che è stato monitorato e successivamente corretto, consentendo agli scienziati di verificare le prestazioni della calibrazione astrofisica in un caso con una calibrazione errata nota. Per GW250207, il rivelatore era appena entrato in funzione, quindi non tutti i sistemi di monitoraggio erano operativi.

La responsabile editoriale del giornale, la dottoressa Ling Sun dell’Australian National University, ha dichiarato: “L’ intensità di questi segnali era notevole, con rapporti segnale/rumore molto elevati rispetto a molte delle nostre altre rilevazioni. Questi sono esattamente i tipi di segnali che vorremmo fossero registrati da tutti i nostri rilevatori.”

“Tuttavia, visti i problemi tecnici con LIGO Hanford, avremmo potuto dover scartare completamente i risultati del rivelatore, perdendo una parte considerevole dell’intensità del segnale e la nostra capacità di localizzare con precisione questi eventi nel cielo. Avendo prima verificato la calibrazione astrofisica con l’analisi del rilevamento di settembre 2024, eravamo molto più preparati ad affrontare i problemi più significativi con i dati di febbraio 2025.”

Sintonizzazione automatica delle fusioni più rumorose dell’universo

La tecnica di calibrazione astrofisica funziona perché il caratteristico segnale di una fusione di buchi neri è ben previsto dalla teoria della relatività generale, la teoria della gravità di Einstein.

Confrontando i segnali previsti e quelli osservati, i ricercatori sono stati in grado di trarre conclusioni precise su come il rivelatore LIGO di Hanford stesse distorcendo i dati raccolti contemporaneamente dal rivelatore LIGO di Livingston, in Louisiana, e dal rivelatore Virgo, in Italia.

Per GW240925, questo metodo corrispondeva agli errori di calibrazione noti misurati in loco. Per GW250207, invece, è stato essenziale utilizzare la calibrazione astrofisica poiché non erano disponibili misurazioni di calibrazione affidabili in loco.

Disporre di dati accuratamente calibrati è essenziale per caratterizzare con precisione il segnale e la sua sorgente. Includendo nell’analisi la possibilità di autocalibrare i dati del rivelatore, utilizzando il segnale come riferimento, il team può evitare di introdurre errori nei risultati.

Grazie alla calibrazione corretta del rivelatore LIGO Hanford, il team ha misurato con maggiore precisione le masse, le distanze e gli spin dei buchi neri, migliorando significativamente la precisione della loro localizzazione celeste. La localizzazione celeste dipende in modo cruciale dal numero di rivelatori in osservazione e migliora notevolmente passando da due a tre rivelatori.

L’avvento dell’era dell’astronomia di precisione

Il dottor Daniel Williams dell’Istituto di Ricerca Gravitazionale dell’Università di Glasgow ha affermato: “Queste scoperte dimostrano che, nel corso del nostro decennio di lavoro dalla prima rilevazione, abbiamo sviluppato una comprensione completa dell’intera nostra pipeline di analisi, dai segnali stessi al comportamento del rivelatore.

“Nel raro caso in cui si verifichi un malfunzionamento di un rilevatore, ora disponiamo di solidi metodi di backup per compensare e sfruttare i dati provenienti dagli altri rilevatori al fine di ottenere risultati della migliore qualità possibile.”

Il professor Stephen Fairhurst dell’Università di Cardiff, portavoce della collaborazione scientifica LIGO, ha dichiarato: “È straordinario che questi enormi eventi cosmici non solo possano essere misurati dai nostri strumenti, ma anche utilizzati per verificare le nostre misurazioni. Essere riusciti a utilizzare la calibrazione astrofisica con tanto successo durante la nostra quarta sessione di osservazione dimostra la maturazione delle capacità del rivelatore e la nostra capacità di ottenere il massimo da ogni rilevamento.”

“Migliorare la qualità dei nostri risultati sulla localizzazione celeste ci aiuterà anche a testare concetti chiave come il tasso di espansione dell’universo, un valore che è ancora oggetto di dibattito tra gli scienziati.”

“Stiamo passando dall’era delle prime scoperte all’era dell’astronomia di precisione delle onde gravitazionali . Possiamo essere certi che le nostre prossime campagne di osservazione continueranno ad arricchire il nostro catalogo, in rapida crescita, di scoperte nel campo delle onde gravitazionali e ad ampliare la nostra comprensione dell’universo.”

La pubblicazione giunge 10 anni dopo la pubblicazione della prima osservazione delle onde gravitazionali su Physical Review Letters , una scoperta che è stata riconosciuta con il Premio Nobel per la Fisica.

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