I rilevatori LIGO e Virgo catturano la prima onda gravitazionale dalla fusione di buchi neri binari con masse disuguali


Fusione binaria dei buchi neri dove i due buchi neri hanno masse nettamente diverse di circa 8 e 30 volte quella del nostro Sole.

Le aspettative della comunità di ricerca sulle onde gravitazionali sono state soddisfatte: le scoperte sulle onde gravitazionali fanno ormai parte del loro lavoro quotidiano, poiché in passato hanno identificato, circa una volta alla settimana, nuovi candidati alle onde gravitazionali. Ma ora i ricercatori hanno pubblicato un segnale notevole, diverso da quelli visti in precedenza: GW190412 è la prima osservazione di una fusione di un buco nero binario in cui i due buchi neri hanno masse nettamente diverse di circa 8 e 30 volte quella del nostro Sole. Questo non solo ha permesso misurazioni più precise delle proprietà astrofisiche del sistema, ma ha anche permesso agli scienziati della LIGO/Virgo di verificare una previsione finora non testata della teoria della relatività generale di Einstein.

“Per la prima volta abbiamo ‘sentito’ in GW190412 l’inconfondibile ronzio delle onde gravitazionali di un’armonica superiore, simile alle sfumature degli strumenti musicali”, spiega Frank Ohme, leader dell’Independent Max Planck Research Group “Binary Merger Observations and Numerical Relativity” presso il Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) di Hannover.

“In sistemi con masse disuguali come GW190412 – la nostra prima osservazione di questo tipo – queste sfumature nel segnale delle onde gravitazionali sono molto più forti che nelle nostre osservazioni abituali. Questo è il motivo per cui non potevamo sentirli prima, ma in GW190412, finalmente ci riusciamo”. Questa osservazione conferma ancora una volta la teoria della relatività generale di Einstein, che prevede l’esistenza di queste armoniche superiori, cioè onde gravitazionali a due o tre volte la frequenza fondamentale osservata finora.

“I buchi neri nel cuore del GW190412 hanno rispettivamente 8 e 30 volte la massa del nostro Sole. Questo è il primo sistema binario di buchi neri che abbiamo osservato per il quale la differenza tra le masse dei due buchi neri è così grande” dice Roberto Cotesta, un dottorando della divisione “Relatività Astrofisica e Cosmologica” dell’AEI di Potsdam. “Questa grande differenza di massa ci permette di misurare con maggiore precisione diverse proprietà del sistema: la sua distanza da noi, l’angolo in cui lo guardiamo e la velocità con cui il pesante buco nero ruota attorno al suo asse”.

Un segnale come nessun altro prima

GW190412 è stato osservato sia dai rivelatori LIGO che dal rivelatore Virgo il 12 aprile 2019, all’inizio del terzo ciclo di osservazione dei rivelatori O3. Le analisi rivelano che la fusione è avvenuta ad una distanza da 1,9 a 2,9 miliardi di anni luce dalla Terra. Il nuovo sistema di massa disuguale è una scoperta unica, poiché tutti i binari osservati in precedenza dai rivelatori LIGO e Virgo consistevano di due masse più o meno simili.

Le masse disuguali si imprimono sul segnale delle onde gravitazionali osservate, che a loro volta permettono agli scienziati di misurare con maggiore precisione alcune proprietà astrofisiche del sistema. La presenza di armoniche superiori permette di rompere un’ambiguità tra la distanza dal sistema e l’angolo che osserviamo sul suo piano orbitale; quindi queste proprietà possono essere misurate con maggiore precisione rispetto ai sistemi a massa uguale senza armoniche superiori.

“Durante O1 e O2 abbiamo osservato la punta dell’iceberg della popolazione binaria composta da buchi neri di massa stellare”, dice Alessandra Buonanno, direttrice della divisione “Astrophysical and Cosmological Relativity” dell’AEI di Potsdam e docente di College Park all’Università del Maryland. “Grazie alla maggiore sensibilità, GW190412 ha iniziato a rivelarci una popolazione sommersa più diversificata, caratterizzata da un’asimmetria di massa grande come 4 e da buchi neri che ruotano a circa il 40% del possibile valore massimo consentito dalla relatività generale”, aggiunge.

I ricercatori dell’AEI hanno contribuito a rilevare e analizzare il GW190412. Hanno fornito modelli accurati delle onde gravitazionali provenienti dalla fusione dei buchi neri che includevano, per la prima volta, sia la precessione delle rotazioni dei buchi neri che momenti multipolari oltre il quadrupolo dominante. Queste caratteristiche impresse nella forma d’onda sono state fondamentali per estrarre informazioni uniche sulle proprietà della sorgente ed effettuare prove di relatività generale. I cluster di computer ad alte prestazioni “Minerva” e “Hypatia” presso AEI Potsdam e “Holodeck” presso AEI Hannover hanno contribuito in modo significativo all’analisi del segnale.

Test della teoria di Einstein

Gli scienziati della LIGO/Virgo hanno anche usato il GW190412 per cercare deviazioni dei segnali da quanto previsto dalla teoria generale della relatività di Einstein. Anche se il segnale ha proprietà diverse da tutte le altre trovate finora, i ricercatori non hanno trovato alcuna deviazione significativa dalle previsioni relativistiche generali.

Questa scoperta è la seconda segnalata dal terzo giro di osservazione (O3) della rete internazionale di rivelatori di onde gravitazionali. Gli scienziati dei tre grandi rivelatori hanno fatto diversi aggiornamenti tecnologici agli strumenti.

“Durante l’O3, è stata usata luce compressa per aumentare la sensibilità di LIGO e Virgo. Questa tecnica di sintonizzazione accurata delle proprietà quantistico-meccaniche della luce laser è stata sperimentata per la prima volta presso il rivelatore tedesco-britannico GEO600”, spiega Karsten Danzmann, direttore dell’AEI di Hannover e direttore dell’Istituto di Fisica Gravitazionale dell’Università Leibniz di Hannover. “L’AEI sta guidando gli sforzi a livello mondiale per massimizzare il grado di compressione, che ha già migliorato la sensibilità del rivelatore GEO600 di un fattore due. I nostri progressi in questa tecnologia andranno a beneficio di tutti i futuri rivelatori di onde gravitazionali”.

La rete di rivelatori ha emesso avvisi per 56 possibili eventi di onde gravitazionali (candidati) in O3 (dal 1° aprile 2019 al 27 marzo 2020 con un’interruzione per gli aggiornamenti e la messa in servizio nell’ottobre 2019). Di questi 56, un altro segnale confermato, GW190425, è già stato pubblicato. Gli scienziati di LIGO e di VIRGO stanno esaminando tutti i restanti 54 candidati e pubblicheranno tutti quelli per i quali le analisi di follow-up dettagliate confermano la loro origine astrofisica.

L’osservazione del GW190412 significa che sistemi simili non sono probabilmente così rari come previsto da alcuni modelli. Pertanto, con ulteriori osservazioni di onde gravitazionali e cataloghi di eventi in crescita in futuro, ci si deve aspettare un maggior numero di segnali di questo tipo. Ognuno di essi potrebbe aiutare gli astronomi a capire meglio come si formano i buchi neri e i loro sistemi binari, e gettare nuova luce sulla fisica fondamentale dello spazio-tempo.

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