Aspettando l’onda gravitazionale perfetta

Negli Stati Uniti e in Italia tutto è pronto per la riapertura della “stagione di caccia” alle onde gravitazionali. I fisici della collaborazione Ligo-Virgo stanno per rimettere in funzione i tre interferometri – i due di Ligo, uno a Hanford e l’altro a Livingston, e Virgo, nella campagna pisana – dopo averli migliorati e resi più sensibili. E gli astronomi sono pronti, con i loro telescopi sparsi in tutto il mondo, a inseguire ogni evento interessante segnalato dai tre rivelatori. L’obiettivo è cercare di ripetere l’exploit del 17 agosto 2017, quando per la prima – e a oggi unica – volta nella storia è stato possibile registrare contemporaneamente la manifestazione gravitazionale e quella elettromagnetica di uno stesso evento: la fusione di due stelle di neutroni.

Ma come si stanno preparando – gli astronomi – alla nuova, imminente, campagna? Con quali sogni, quali aspetattive? Lo abbiamo chiesto ad Andrea Melandri dell’Inaf di Brera, coordinatore del working group per il follow up delle controparti elettromagnetiche delle onde gravitazionali – vale a dire, semplificando un po’, coloro che si occupano, appena allertati, di puntare i telescopi nella direzione giusta – della collaborazione Grawita.

Ecco, partiamo da Grawita: in Italia è l’unico team che si occupa di follow up di eventi di onde gravitazionali?

«Grawita raccoglie la gran parte dei ricercatori dell’Inaf interessati allo studio delle controparti elettromagnetiche. Naturalmente ci sono anche altri gruppi all’estero, come ad esempio negli Stati Uniti. Per quel che riguarda, invece, le osservazioni con i telescopi dell’Eso in Cile abbiamo creato una sorta di comunità europea ad hoc – Engrave – per collaborare insieme ed ottimizzare l’utilizzo scientifico del tempo osservativo che ci è stato assegnato».

E di telescopi italiani, ne utilizzate?

«Sì, qualcuno da utilizzare ce lo abbiamo. Ci sono i due telescopi Schmidt e Copernico dell’Osservatorio di Asiago, ce n’è uno a Loiano, in provincia di Bologna, stiamo rimettendo a punto i due telescopi di Campo Imperatore, sul Gran Sasso. C’è il Telescopio nazionale Galileo, naturalmente, che pur trovandosi alle Canarie è un telescopio dell’Inaf, il più grande telescopio italiano. Sempre dell’Inaf c’è poi anche Rem, in Cile. E naturalmente abbiamo del tempo osservativo disponibile al Large Binocular Telescope in Arizona, che ci consentirà di acquisire spettri, fondamentali per comprendere la natura delle controparti elettromagnetiche delle onde gravitazionali. Insomma, utilizzeremo tutte le facilities disponibili. In futuro potremmo coinvolgere anche telescopi molto piccoli, come ad esempio il telescopio di 50 cm che si trova all’osservatorio di Savelli, gestito in collaborazione con l’Università della Calabria».

Veniamo ai tre interferometri – i due Ligo e l’italiano Virgo: come si rimetterà in moto la campagna osservativa?

«Ci sarà a breve un run ingegneristico, ovvero una prova tecnica per verificare che funzioni tutto. Partirà il 4 marzo e durerà al massimo quattro settimane, quindi fino alla fine del mese. L’obiettivo è accertarsi che gli strumenti stiano funzionando come ci si aspetta, dunque si metteranno in funzione tutti e tre gli interferometri contemporaneamente».

Se mai arrivasse un’onda gravitazionale durante queste prove?

«In teoria ci potrebbero essere dei cosiddetti trigger, perché ovviamente gli strumenti sono in ascolto, e potrebbero ricevere qualche trigger di onde gravitazionali. D’altronde, la prima rivelazione di un’onda gravitazionale – quella del 14 settembre 2015, a tutt’oggi la più nitida come segnale – avvenne proprio durante un run ingegneristico, nella prima settimana di accensione. Quindi sì, potrebbe succedere qualcosa. In ogni caso, se dovessero esserci dei trigger in questa fase preliminare, la comunicazione alla comunità astronomica verrà fatta solo nel caso in cui si tratti di un segnale veramente “potente”, come quello del 2015, per intenderci: qualcosa di cui si sia veramente sicuri».

Perché?

«Perché stanno spingendo gli strumenti a distanze superiori a quelle alle quali arrivavano prima, quindi vogliono divulgare solo eventi dei quali sono sicuri. Se un segnale è veramente potente, allora ce lo comunicheranno anche durante il run ingegneristico, ma la comunicazione non avverrà in modo automatico, come è invece previsto che accada a collaudo terminato, durante il run osservativo, quello vero e proprio».

È possibile che vengano simulate – come accadeva qualche anno fa – anche le blind injections, i falsi segnali creati apposta per verificare che tutta la catena funzioni correttamente?

«In realtà non è mai stato necessario utilizzare questi test, perché sin dal settembre 2015 è stato immediatamente misurato un segnale gravitazionale reale, con altissimo segnale su rumore. Ormai ci sono quattro o cinque pipeline diverse che lavorano contemporaneamente su tipi di segnali diversi, quindi il controllo sul segnale è già abbastanza elevato. Dunque ora, quando viene comunicato un alert, è sempre un alert vero, niente più esercitazioni o falsi allarmi: occorre mettersi al lavoro davvero».

È aumentata la distanza alla quale i tre interferometri riusciranno a spingersi, ci stava dicendo…

«Sì, e questo significa che aumenta il volume di universo osservato. Si stima che Ligo Livingston potrà arrivare fino a 135 megaparsec, Ligo Hanford fino a 90 e Virgo fino a 55. Rispetto al run precedente – durante il quale le distanze erano rispettivamente di 100, 70 e 27 megaparsec – chi è migliorato di più, in percentuale, è proprio Virgo. E occorre tenere presente che anche un aumento relativamente piccolo della distanza, elevato al cubo, si riflette in un aumento enorme del volume di universo osservato».

A cosa è dovuto questo miglioramento della sensibilità dei tre interferometri?

«A un insieme di fattori. È migliorato il software, è migliorata la procedura di allineamento degli specchi, la stabilità dei campi magnetici per il laser… È migliorata tutta la catena, insomma».

Veniamo alla scienza. Cosa vi aspettate, voi astronomi, da questo terzo run? Quali i sogni e quali le attese realistiche?

«Anzitutto speriamo di avere una conferma della presenza delle kilonove dalla fusione di coppie di stelle di neutroni: ne abbiamo vista una nel 2017, ma vorremmo vederne almeno un’altra o un altro paio, magari anche di più, nel corso dell’anno di durata prevista del run. Ci aspettiamo anche di vedere un elevato numero di fusioni di sistemi binari di buchi neri, considerando l’aumento di volume».

Però le onde gravitazionali dalle coppie di buchi neri non hanno controparti elettromagnetiche, per voi astronomi ci sarebbe poco da fare…

«In effetti la ricerca delle controparti è un po’ svantaggiata, perché si pensa che nel caso di due buchi neri non ci siano, però non è così certo, non è che non le consideriamo più. Per eventi molto potenti, o molto vicini, o comunque con una finestra di errore molto piccola, se abbiamo a disposizione telescopi che possono osservare l’area nella quale è stato registrato l’evento perché non farlo? Certo, dovremo selezionare gli eventi, visto che ci attendiamo che saranno numerosi. Potrebbero essere anche uno a settimana, e se volessimo cercare una controparte elettromagnetica per tutti rischieremmo di dover impegnare tutto il tempo dei telescopi in quest’attività. Avendo invece proposte che ne richiedono l’uso per un certo numero di ore a semestre, non possiamo “sprecarle” tutte, tra virgolette, per inseguire ogni fusione di buchi neri. Infine, speriamo di registrare l’evento ancora mancante: il merging “misto”, quello fra un buco nero e una stella di neutroni».

Questo avrebbe qualche possibilità di avere una controparte elettromagnetica, dunque osservabile con i telescopi?

«Essendoci anche una stella di neutroni, speriamo di sì. Non sappiamo esattamente di cosa potrebbe trattarsi: forse una kilonova, o qualcosa di simile, oppure qualcosa di completamente inaspettato».

Torniamo alle vostre osservazioni di follow up, le osservazioni che fate con i telescopi quanto vi arrivano quelli che chiamate trigger, ovvero le allerte di onde gravitazionali. Noi abbiamo saputo di quella più celebre, Gw 170817, la fusione delle due stelle di neutroni. Ma di solito come funzionano? Ci può fare un esempio

«Sì, certo, un caso rappresentativo è quello culminato con un articolo che abbiamo pubblicato il mese scorso su Astronomy & Astrophysics. Tutto è partito da un trigger di onde gravitazionali che c’era stato a gennaio 2017. All’interno della finestra di possibile provenienza – la error box – erano stati osservati alcuni possibili transienti che potevano essere legati all’evento. Un evento gravitazionale, va detto, che aveva più l’aspetto di una fusione fra due buchi neri, ma era comunque intrigante la possibilità che potesse esserci, appunto, una controparte elettromagnetica compatibile – come distanza – con l’evento all’interno della error box».

Intende dire che poteva essere, chissà, la mitica fusione fra un buco nero e una stella di neutroni?

«Per esempio. In realtà, per il tipo di ricerche che facciamo, dobbiamo essere molto attenti perché possiamo scoprire degli oggetti non ancora conosciuti. In concomitanza con il segnale gravitazionale Gw 170104, la survey Atlas ha osservato, in effetti, una sorgente transiente molto particolare (Atlas 17aeu) nella stessa area di cielo. Quando è stata riportata questa possibile corrispondenza, ci siamo quindi attivati. Abbiamo cominciato a guardare in quella direzione, utilizzando diversi telescopi a nostra disposizione, come Tng ed Lbt per acquisire immagini e spettri di questa sorgente. Una ventina di ore dopo il segnale gravitazionale è stato osservato, al bordo della error box, anche un lampo di raggio gamma, un Grb (Grb 170105A). Per decidere se questi eventi potessero essere associati o no all’onda gravitazionale, era però necessario stabilire a che distanza si trovava la galassia di provenienza del segnale elettromagnetico. Occorreva quindi un’analisi spettroscopica. Abbiamo continuato a osservare quella regione per settimane. E man mano che continuavamo ad accumulare dati, siamo riusciti a determinare un intervallo di distanze possibili, ed è diventato sempre più evidente che si trattava di qualcosa d’indipendente dall’onda gravitazionale. Alla fine siamo quindi riusciti a stabilire che lo stesso Grb non era correlato all’onda gravitazionale. Peccato, perché sarebbe stata la prima osservazione in assoluto di una controparte elettromagnetica di un evento gravitazionale».

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Per saperne di più:

• Leggi su Astronomy & Astrophysics l’articolo “Unveiling the enigma of ATLAS17aeu“, di A. Melandri, A. Rossi, S. Benetti, V. D’Elia, S. Piranomonte, E. Palazzi, A. J. Levan, M. Branchesi, A. J. Castro-Tirado, P. D’Avanzo, Y.-D. Hu, G. Raimondo, N. R. Tanvir, L. Tomasella, L. Amati, S. Campana, R. Carini, S. Covino, F. Cusano, M. Dadina, M. Della Valle, X. Fan, P. Garnavich, A. Grado, G. Greco, J. Hjorth, J. D. Lyman, N. Masetti, P. O’Brien, E. Pian, A. Perego, R. Salvaterra, L. Stella, G. Stratta, S. Yang, A. di Paola, M. D. Caballero-García, A. S. Fruchter, A. Giunta, F. Longo, M. Pinamonti, V. V. Sokolov, V. Testa, A. F. Valeev, E. Brocato on behalf of the Gravitational Wave InAf TeAm (GRAWITA)