I ricercatori dell’Istituto di Ricerca Gravitazionale dell’Università di Glasgow stanno celebrando la pubblicazione di una vasta e nuova raccolta di rilevamenti di onde gravitazionali, salutata come una pietra miliare che segna la maturità dell’astronomia gravitazionale.
Il catalogo dei transienti di onde gravitazionali-5.0, o GWTC-5 , è stato pubblicato online, insieme ai relativi articoli scientifici inviati all’Astrophysical Journal e all’Astrophysical Journal Letters .
Questo ultimo aggiornamento descrive in dettaglio un totale di 161 nuovi segnali provenienti da buchi neri in collisione, rilevati tra aprile 2024 e la fine di gennaio 2025 dai rivelatori di onde gravitazionali LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Italia e KAGRA in Giappone, noti come la collaborazione LVK. La pubblicazione porta il numero totale di segnali di onde gravitazionali rilevati fino ad oggi a 390.
Tra le scoperte più significative descritte in questa raccolta figurano la prova dell’esistenza di buchi neri di seconda generazione, la localizzazione celeste più precisa mai raggiunta per una sorgente di onde gravitazionali e la prima misurazione di tre modi vibrazionali di un buco nero.
Gli astrofisici dell’Università di Glasgow hanno svolto un ruolo chiave nella ricerca sulle onde gravitazionali sin dagli anni ’70. Sono stati i principali artefici dello sviluppo dei delicati sistemi di sospensione degli specchi che costituiscono il cuore dei rivelatori del Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation statunitense, e che rendono possibili le rilevazioni.
Dalla storica prima rilevazione diretta nel settembre 2015, hanno lavorato a stretto contatto con i colleghi della collaborazione internazionale LVK per migliorare le prestazioni dei rivelatori e l’analisi dei dati delle rilevazioni, che stanno diventando più frequenti man mano che i rivelatori diventano più sensibili.
Durante le sessioni di osservazione, i rilevatori della collaborazione hanno captato tra tre e quattro segnali a settimana, e si prevede una maggiore frequenza di rilevamenti nelle future sessioni.
La collaborazione alterna periodi di raccolta dati, denominati sessioni di osservazione, a fasi dedicate all’aggiornamento e alla messa in servizio dei rivelatori. È anche per questo motivo che il catalogo degli eventi di onde gravitazionali, comprensivo di dati validati e parametri fisici delle sorgenti, viene aggiornato e condiviso con la comunità scientifica all’incirca ogni sei mesi.
Il dottor Daniel Williams, ricercatore presso l’Institute for Gravitational Research, è co-presidente del Compact Binary Science Working Group dell’LSC. Ha affermato: “Questo corposo aggiornamento ha ancora una volta ampliato e approfondito la nostra conoscenza dell’universo e ci ha offerto molti altri scorci dei suoi oggetti più sfuggenti: i buchi neri in collisione.
Segnali più nitidi e chiarezza storica
“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.”
Oltre alle nuove prospettive aperte da questo straordinario numero di osservazioni, il nuovo catalogo comprende anche diverse rilevazioni eccezionali che stabiliscono nuovi record nell’astronomia delle onde gravitazionali: la migliore localizzazione celeste mai ottenuta per una sorgente di onde gravitazionali, il segnale di onde gravitazionali più nitido mai registrato e la prova dell’esistenza di buchi neri di seconda generazione.
Il 15 giugno 2024, un segnale rilevato dai due rivelatori LIGO negli Stati Uniti e da Virgo in Italia, denominato GW240615, ha stabilito il record per la localizzazione celeste più precisa tra tutti gli eventi di onde gravitazionali osservati fino ad oggi. La sorgente è stata identificata all’interno di un’area di soli 6 gradi quadrati, una porzione relativamente piccola della sfera celeste.
L’evento di onde gravitazionali osservato con questa localizzazione record è stato la fusione di due buchi neri, con masse di circa 26 e 30 masse solari, che si sono scontrati violentemente a più di 3 miliardi di anni luce dalla Terra.
Utilizzo delle onde per misurare l’espansione
Alex Papadopoulos, ricercatore post-dottorato presso l’Istituto per la Ricerca Gravitazionale, ha affermato: “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?”
“The rate of this expansion is described by a value called the Hubble constant. Gravitational waves allow us to measure this by estimating how far away merging objects are, either directly from the signal itself or by identifying the galaxy where the merger took place.
“One of the major improvements in GWTC-5.0 compared to previous catalogs is the inclusion of observations from the Virgo detector, which returned after not participating in the previous observing run. With this additional detector, we can pinpoint the location of gravitational-wave signals on the sky much more accurately, making it easier to identify the host galaxy of each merger. Our expanded library of detections also meant we could use 236 signals, almost double the previous number, in our analyses. Each event contributes a small amount of information, so together these additional signals significantly improve our results.
“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 più nitido mai registrato
Rilevare le onde gravitazionali non significa semplicemente catturare un segnale, ma estrarlo dal rumore che disturba i rivelatori. Ciò richiede analisi dei dati estremamente sofisticate, ed è per questo che la “forza” o la “chiarezza” di un segnale viene espressa attraverso il rapporto segnale/rumore (SNR). Il catalogo pubblicato oggi include il segnale di onde gravitazionali più “chiaro” mai rilevato, con un rapporto segnale/rumore di 76,9.
Questo segnale, GW250114, ha raggiunto la Terra il 14 gennaio 2025 ed è stato generato dalla fusione di due buchi neri con masse quasi identiche (rispettivamente 32 e 34 volte la massa del Sole), avvenuta a più di un miliardo di anni luce dalla Terra. La sua “chiarezza” ha permesso di ottenere risultati scientifici eccezionali, tra cui il test più accurato della relatività generale mai eseguito 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 conformità 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.”
Indizi sui buchi neri di seconda generazione
Nell’ottobre e nel novembre del 2024, a distanza di appena un mese l’uno dall’altro, sono state rilevate altre due fusioni di buchi neri molto particolari: GW241011 e GW241110, avvenute rispettivamente a circa 700 milioni e 2,4 miliardi di anni luce dalla Terra.
Alcune caratteristiche di queste fusioni, in particolare lo spin dei buchi neri (ovvero l’orientamento e la velocità di rotazione), indicano che gli oggetti coinvolti potrebbero essere buchi neri di “seconda generazione”, ossia buchi neri che sono a loro volta il risultato di precedenti coalescenza. Questi oggetti si sono probabilmente formati in ambienti cosmici molto densi e affollati, come gli ammassi stellari, dove i buchi neri hanno maggiori probabilità di collidere e fondersi ripetutamente.
Il crescente numero di eventi osservati ha inoltre permesso ai ricercatori di studiare e identificare con sempre maggiore chiarezza le proprietà delle diverse popolazioni di buchi neri, e uno degli articoli che accompagnano il catalogo tratta proprio di questo aspetto specifico.
Costruire un quadro complessivo della popolazione
Storm Colloms, ricercatore post-dottorato presso l’Istituto per la Ricerca Gravitazionale, ha dichiarato: “Ho fatto parte del team che si occupa di comprendere i processi che portano alla fusione di buchi neri e stelle di neutroni grazie all’ultimo set di osservazioni. Abbiamo studiato 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 gamme di massa hanno spin differenti, il che indica l’esistenza di percorsi di formazione distinti che creano gruppi unici di sistemi.”
“Questa tendenza era stata suggerita da osservazioni precedentemente pubblicate, GW241011 e GW241110, coppie di buchi neri con spin elevati e masse diverse, chiaramente misurati. Queste due osservazioni hanno mostrato segni caratteristici che il buco nero più grande in ciascuna coppia non si è 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 crescenti che esistono altri modi in cui l’universo crea buchi neri da 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 sistemi binari di buchi neri e 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.”
Il dottor Williams ha aggiunto: “Stiamo rilevando così tanti di questi segnali che non stiamo più solo imparando a conoscere le singole collisioni; è l’equivalente astronomico della scoperta di un’antica civiltà. I nuovi risultati odierni sono come trovare un tesoro precedentemente sconosciuto, che rivela non solo vite individuali, ma la struttura di un intero mondo perduto”.
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