Nove anni fa, era il 17 agosto 2017, la rivelazione contemporanea di onde elettromagnetiche – nella fattispecie, un lampo gamma – e onde gravitazionali prodotte da un evento di fusione di due stelle di neutroni inaugurò la cosiddetta astronomia multimessaggera. Per la prima volta nella storia eravamo in grado di vedere – attraverso i telescopi – e contemporaneamente ascoltare – attraverso gli interferometri per onde gravitazionali – uno stesso fenomeno. Un’opportunità unica per comprenderne a tutto tondo la natura e i processi fisici. Letteralmente unica: da allora non è mai più accaduto.
È dunque enorme l’attesa da parte degli scienziati per un secondo evento come quello del 2017. L’attesa e la preparazione: visto quanto sono rare queste opportunità, oltre agli interferometri – la cui rete nel frattempo si è ingrandita, con l’ingresso del giapponese Kagra a fianco di Ligo e Virgo – sono in perenne allerta tutti i più grandi telescopi da terra e dallo spazio. Soprattutto quelli per le alte energie, i primi a poter cogliere i bagliori d’un evento di fusione.
Antonio Stamerra con un modellino del telescopio Lst-1 di Ctao. Crediti: Julian Sitarek (Lødz University, Poland)
Telescopi ai quali potrebbero presto unirsi anche quelli per altissime energie di Ctao, il Cherenkov Telescope Array Observatory. Come mostra uno studio pubblicato oggi su The Astrophysical Journal, circa il cinque per cento dei lampi gamma corti associati a sorgenti di onde gravitazionali potrebbe – adottando una strategia ottimizzata – essere rilevato da Ctao nelle bande energetiche GeV–TeV. Ne parliamo con uno degli autori dello studio, Antonio Stamerra, astrofisico all’Inaf di Roma e coordinatore del Ctao-Gw team, il gruppo di lavoro del Consorzio Ctao dedicato all’osservazione e al follow-up elettromagnetico degli eventi di onde gravitazionali ad altissime energie.
Stamerra, proviamo a ricostruire una possibile timeline per un futuro evento di fusione fra due stelle di neutroni. Chi lo vede per primo? Ma soprattutto chi lo riconosce per primo in quanto tale? Per Gw 170817 – l’evento del 17 agosto 2017 – fu il telescopio spaziale Fermi della Nasa, che diramò l’alert dopo 14 secondi. Al team del rivelatore di onde gravitazionali Ligo furono necessari una quarantina di minuti. Ctao che tempi avrebbe avuto? Sarà più uno strumento da alert o da follow-up?
«Partiamo anzitutto ricordando che la fusione tra due stelle di neutroni – stelle con masse simile al Sole, ma estremamente compatte, tipicamente con un raggio di circa dieci km – produce onde gravitazionali che sono rivelate da interferometri gravitazionali come Virgo, a Pisa, e Ligo, negli Stati Uniti. Ci si aspetta che da questa fusione emerga una controparte elettromagnetica – una radiazione – nel radio, ottico, raggi X o gamma. I telescopi che possono osservare rapidamente una controparte elettromagnetica sono gli strumenti a grande campo, come appunto gli strumenti a bordo del satellite Fermi che per primo identificò il gamma ray burst associato all’allerta gravitazionale di Gw 170817.
Questi telescopi, una volta rivelata un’emissione nella stessa finestra temporale dell’evento transiente a onde gravitazionali, informano la comunità astronomica con allerte automatiche, entro decine di secondi, fornendo la posizione – spesso approssimativa, come lo è quella fornita dagli interferometri gravitazionali. Dopo l’evento del 2017, fino alla recente campagna osservativa terminata a novembre 2025, gli interferometri per onde gravitazionali rilasciano anch’essi l’informazione sull’evento entro decine di secondi ma, appunto, con un’incertezza sulla posizione di molti gradi quadri. Questo è un punto cruciale che ha portato molti telescopi a sviluppare tecniche che permettano di coprire la zona di incertezza fornita dall’evento di onde gravitazionali ottimizzando tempi e sensibilità, in modo da massimizzare la probabilità di rivelazione della controparte ottica, X o – come nel caso di Ctao – nei raggi gamma.
Ctao è stato progettato per reagire a queste allerte immediatamente, e per poter ripuntare velocemente – nell’ordine di poche decine di secondi – qualunque parte del cielo. Pensiamo che i telescopi di Ctao vanno da un diametro minimo di 4 metri (è il caso dei “piccoli” telescopi, come il telescopio Astri sviluppato dall‘Inaf) fino a 23 metri. La matrice di telescopi di Ctao lavorerà dunque primariamente nel follow-up di questi eventi estremi, ma potrà a sua volta generare alert multimessenger se dovesse identificare un transiente gamma compatibile temporalmente e spazialmente con un evento di onde gravitazionali».
Prototipo di Lst, i telescopi più grandi (23 metri di diametro) di Ctao. Crediti: Otger Ballester/Ifae
Quelli prodotti durante la fusione fra due stelle di neutroni sono i cosiddetti short Grb: lampi di raggi gamma brevissimi, meno di due secondi. Se questo vale anche alle energie alle quali è sensibile Ctao, come potranno mai i suoi telescopi – con un tempo di puntamento, ci diceva, di decine di secondi – fare in tempo a intercettarli?
«Durante la loro danza terminale di fusione, a causa dell’intensità delle forze gravitazionali in gioco le due stelle di neutroni si deformano. Si forma un guscio di nuclei radioattivi che si espande e due getti contrapposti, dove la materia viene lanciata a velocità relativistiche (prossime alla velocità della luce). È il loro modo per liberarsi dell’energia gravitazionale accumulata. Si producono così effetti osservabili: una kilonova, l’emissione di radiazione dal decadimento dei nuclei, e il gamma-ray burst (Grb), con un’emissione prompt (1-2 secondi dopo la fusione) e una afterglow molto più lunga. Già da tempo sospettavamo, da numerosi indizi, che gli short Grb, brevi perché durano meno di un paio di secondi, fossero associati alla fusione di oggetti compatti, come due stelle di neutroni. Il famoso evento Gw-Grb 170817 ci ha fornito la prova diretta, con un caveat: l’angolo del getto. È questo uno degli elementi cruciali che può determinare (o impedire…) la rivelazione da parte di Ctao di uno di questi eventi di onde gravitazionali».
In che senso?
«I Grb che si osservano regolarmente hanno il getto quasi allineato con noi, con l’osservatore. Per questo appaiono particolarmente brillanti a tutte le frequenze, incluse quelle in cui osserva Ctao, ovvero i raggi gamma con energie tra diversi gigaelettronvolt (un GeV corrisponde a miliardi di elettronvolt, mentre un eV è l’energia tipica della luce visibile), fino a decine di teraelettronvolt (TeV, vale a dire mille GeV). E infatti i telescopi Cherenkov attualmente operativi, come Magic e Hess, hanno rivelato diversi Grb, tutti lunghi (della durata di diverse decine di secondi, ma con anche un indizio su uno short Grb, Grb 160821B).
Nel caso dei Grb associati a fusioni di stelle di neutroni rivelati con le onde gravitazionali, il problema è che il segnale gravitazionale dei sistemi binari rivelato dagli interferometri dipende poco dal loro orientamento. Quindi il getto che si forma è nella maggior parte dei casi (l’87 per cento, nelle simulazioni dello studio che abbiamo appena pubblicato) non allineato con la nostra visuale e la sua emissione è estremamente meno luminosa di un Grb che puntasse il getto verso di noi. Nel caso di Gw 170817 questo angolo era di circa 30 gradi, da confrontare con l’apertura del getto stesso, di appena pochi gradi. Questo può spiegare perché i telescopi Cherenkov e anche il telescopio gamma Fermi-Lat, che hanno potuto osservare la controparte, non hanno rivelato emissione gamma GeV da Gw 170817».
Rappresentazione artistica della fusione tra due stelle di neutroni. Crediti: National Science Foundation/Ligo/Sonoma State University/A. Simonnet
Ecco, infatti, è una domanda che volevo farle: il follow-up di Gw 170817 con Magic non ebbe successo, quello con Hess nemmeno. Perché Ctao dovrebbe avere più possibilità?
«La risposta diretta è che Ctao, grazie all’esteso intervallo di energie che può esplorare – da 20 GeV a 300 TeV – e grazie al numero di telescopi e alla loro dimensione, ha migliorato la sensibilità raggiungibile, fino a un fattore 10 rispetto agli strumenti attuali (che significa diminuire di un fattore circa 100 il tempo di osservazione per rivelare una stessa sorgente). Quindi, Ctao ha maggiori possibilità di osservare eventi deboli, o di accumulare la statistica necessaria per degli studi più approfonditi su questi oggetti.
Ma aggiungo una cosa che pochi, anche tra gli esperti, conoscono. Nell’evento Gw 170817 i telescopi Hess (ricordiamo che Magic non osservò perché la regione di cielo non era sufficientemente alta alla latitudine in cui si trova) furono i primi telescopi a terra, poche ore dopo l’evento, a osservare la regione dove poi è stata identificata la controparte ottica, fornendo utili limiti superiori al flusso. Questo dimostra che già allora i telescopi Cherenkov, e ancora di più Ctao, sono pronti a reagire a questi eventi, se vengono implementate le giuste strategie per osservarli.
A ogni modo, il lavoro che abbiamo svolto ci mostra che la probabilità di osservare un segnale gamma GeV-TeV da un evento è bassa, in particolare a causa della preponderanza di eventi con getti ad alto angolo. Nello stesso tempo, il fatto che gli eventi di fusione di stelle di neutroni rilevabili con Lvk (Ligo-Virgo-Kagra) sono a distanze relativamente piccole (almeno in scala cosmologica, meno di 500 Mpc, vale a dire meno di 1,6 miliardi di anni luce), favorisce eventi che possono avere un flusso elevato. Il nostro studio, con i modelli di emissione TeV assunti e una strategia di osservazione ottimizzata, mostra che il 5 per cento dei 2307 eventi simulati è rilevabile con Ctao. Tuttavia, quando inseriamo anche il numero di fusioni di stelle di neutroni osservabili dagli interferometri (un numero ancora molto incerto, considerando che pochissimi di questi eventi sono stati osservati da Lvk) con la probabilità di avere effettivamente un Grb che forma getti, il numero di eventi effettivamente rilevabili da Ctao è incerto, ma si stima che si riduca a meno di uno per anno. Va però considerato che anche le osservazioni senza rivelazione di segnale possono fornire indicazioni utili ai modelli, grazie ai limiti superiori che possono fornire sul flusso».
Come avverranno, queste osservazioni? Intendo, con quali dei telescopi di Ctao? I large, i medium o gli small? O tutti insieme?
«Ctao ha la possibilità di ripuntare i suoi telescopi – i piccoli, i medi e i grandi da 23 metri – in poche decine di secondi. La sfida non è sul tempo ma sul dove puntare. Nel lavoro svolto in questi anni dal nostro team del Consorzio Ctao, quello pubblicato oggi, abbiamo cercato di capire la migliore sequenza di puntamenti da effettuare per coprire la regione d’incertezza fornita dagli interferometri, ovvero abbiamo ottimizzato la strategia di puntamento. Il nostro obiettivo non era solo ottimizzare la strategia per migliorare le chances di rivelazione, ma cercare di capire quale di queste strategie ci permetteva di ricostruire la migliore informazione dall’osservazione. In questo ci viene in aiuto il sistema di analisi in tempo reale sviluppato da Ctao, in cui l’Inaf ha avuto e ha un ruolo determinante.
In base alle strategie studiate, la più efficace risulta quella di tappezzare (tiling) la regione con una sequenza di puntamenti di 5 minuti. Il sistema di analisi in tempo reale è dedicato ad analizzare i campi di cielo osservati e a evidenziare un segnale all’interno del campo di vista (che va da circa 4.5 gradi di diametro per i telescopi più grandi a 10 gradi per quelli più piccoli). Se viene identificato un segnale, la sequenza di puntamento si blocca in quella posizione e l’osservazione continua accumulando il segnale, al fine di massimizzare l’informazione da analizzare. Nello stesso tempo, Ctao può inviare in maniera automatica un’allerta per informare altri osservatori. Perché nelle osservazioni di eventi transienti il tempo è tutto».
Quest’immagine mostra l’incertezza nella localizzazione di una sorgente associata a un evento di onde gravitazionali. Estendendosi su un’ampia area di cielo, per essere coperta in modo efficiente da Ctao richiede una strategia di “tiling”, ottimizzando così sia le osservazioni che l’impiego dei diversi telescopi dell’array, come illustrato nel pannello a destra. Fonte: Monica Seglar-Arroyo et al, ApJS, 2024
E nel corso di questo “tappezzamento” punteranno tutti nella stessa direzione, come un array interferometrico, o ciascuno in una direzione diversa, per coprire un’area di cielo più ampia?
«Questa è una domanda molto interessante e con notevoli risvolti, con prospettive che sono attualmente in fase di valutazione. Lo studio che abbiamo svolto utilizza Ctao in modalità “convergente”, cioè con i telescopi che puntano tutti nella stessa direzione. Allo stesso tempo, il sistema può utilizzare le diverse classi di telescopi – large, medium e small – su diverse aree. Certo, le diverse classi coprono energie diverse: decine di GeV i telescopi large, oltre il TeV quelli small. Tuttavia, considerando che il numero di telescopi medium e small e nell’ordine delle decine, da tempo si sta studiando una modalità diversa di osservazione, la modalità “divergente”. Ovvero ogni telescopio punta una regione diversa, in modo da poter ricoprire anche l’intera area di incertezza dell’evento di onde gravitazionali. Va però messo in conto che in questa modalità la sensibilità dello strumento diminuisce, ovvero il minimo flusso rivelabile aumenta. Abbiamo dunque un compromesso tra il tempo necessario a coprire la regione con diversi tasselli, durante il quale la luminosità della controparte diminuisce, e la possibilità di coprire tutta la regione immediatamente, quando il flusso della sorgente è al massimo. Gli studi su questi casi sono in corso, e il lavoro appena pubblicato servirà certamente come punto solido su cui basare il lavoro successivo».
Quando inizieranno le osservazioni? Mi par di capire che vorreste entrare già nel run O5 di Lvk. Per allora di quanti e di quali telescopi funzionanti disporrà, Ctao? Saranno tutti già predisposti per entrare in modalità follow-up appena ricevuto un alert di onde gravitazionali?
«La prossima campagna osservativa di Ligo-Virgo (e forse si unirà anche l’interferometro in costruzione in Giappone, Kagra) è prevista per fine 2028, inizi 2029. Ctao al momento prevede di integrare nell’osservatorio il primo telescopio large che già opera a La Palma e gli altri tre già costruiti e pronti alla loro fase di commissioning. A questi si aggiungeranno i telescopi previsti per il sito sud, a Serra Armazones, in Cile. Tra questi ci saranno i due telescopi large (Lst) che il progetto Pnrr Cta+, guidato dall’Inaf, sta costruendo e spedirà al sito per gli inizi del prossimo anno, dopo aver superato le fasi di test in Italia. Infine, sono pronti a essere spediti anche gli small size telescopes (Sst) e alcuni dei medium (Mst). Insomma, per il 2028-2029, all’inizio delle nuove operazioni dell’Igwn (l’International Gravitational-Wave Observatory Network, istituito recentemente riunendo le diverse collaborazioni) prevediamo di avere già dei telescopi che possono operare e osservare gli eventi gravitazionali, e di mettere in campo, testandole e migliorandole, le strategie osservative che abbiamo studiato nel lavoro che è stato pubblicato oggi su The Astrophysical Journal e che servirà come base per ulteriori studi nel prossimo futuro».
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Chasing Gamma-Ray Signals from Binary Neutron Star Coalescences with the Cherenkov Telescope Array: Prospects and Observing Strategies”, del Ctao-Gw team
- Leggi sulla pagina LinkedIn di Ctao il flashpoint “Chasing Echoes: How the CTAO Plans to Detect Gamma-Ray Signals from Binary Neutron Stars”