Le onde gravitazionali furono previste nel 1916 da Albert Einstein nella sua Teoria della Relatività generale. Per via dell’estrema debolezza dei segnali, dovette passare un secolo prima che una di tali increspature dello spazio-tempo fosse rivelata da uno strumento di adeguata sensibilità. Dal primo evento nel 2015, il numero di rilevamenti è cresciuto costantemente, arrivando a osservarne adesso molti al mese e persino più di uno nello stesso giorno.
Gli strumenti utilizzati per il loro rilevamento sono degli interferometri che impiegano potenti laser con cui è misurato accuratamente il tempo che la luce impiega per riflettersi tra gli specchi posti lungo due bracci perpendicolari. Stiamo parlando di tre rivelatori internazionali: i due di LIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) operativi negli USA, rispettivamente in Louisiana e nello stato di Washington, e Advanced Virgo in Italia. Grazie a costanti aggiornamenti, questi rivelatori sono diventati sempre più sensibili, grazie all’impiego di maggiore potenza laser e l’installazione di luce compressa, uno speciale stato quantomeccanico che riduce al minimo l’incertezza nelle proprietà necessarie per le misurazioni delle onde gravitazionali.
I dati raccolti sono stati quindi analizzati dai gruppi internazionali di scienziati della LIGO Scientific Collaboration, della Virgo Collaboration e della KAGRA Collaboration. L’identificazione dei segnali richiede un’attenta analisi dei dati per distinguere le onde gravitazionali dai disturbi locali ed è normale che passi del tempo tra la rivelazione e la pubblicazione..
Il 7 novembre 2021, la collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA ha pubblicato i risultati della seconda metà della terza sessione osservativa (O3b). Questo terzo catalogo dei transienti di onde gravitazionali (GWTC-3) è il più grande catalogo di fusioni che coinvolgono buchi neri e stelle di neutroni rilasciato sinora e include eventi rivelati in precedenti sessioni di osservazione. Il nuovo catalogo riporta altri 35 eventi di onde gravitazionali osservati tra novembre 2019 e marzo 2020, portando a 90 il numero totale di quelli osservati da quando hanno avuto inizio le operazioni di LIGO/Virgo.
GWTC-3 è stato annunciato con una serie di articoli apparsi come preprint sul sito ArXiv a firma degli oltre 1500 ricercatori coinvolti nel progetto.
Tutti gli eventi di onde gravitazionali scoperti dal 2015 fino alla fine del terzo ciclo osservativo di LIGO/Virgo. La tabella include il nome dell’evento gravitazionale, il tipo di componente binario (buco nero, stella di neutroni o incerto), le masse del primario e del secondario e la massa dell’oggetto finale unito. (LIGO/Virgo/KAGRA/C. Knox/H. Middleton)
Cosa hanno rivelato LIGO-Virgo-KAGRA?
Dei 35 eventi rilevati, 32 sono verosimilmente “comuni” fusioni di buchi neri binari. I buchi neri osservati hanno un ampio spettro di masse solari, comprese tra una e 90. Molti dei buchi neri risultanti, nati da queste fusioni, superano 100 volte la massa del nostro Sole e sono classificabili come buchi neri di massa intermedia.
Questa classe di buchi neri è stata a lungo teorizzata ed erano stati trovati soltanto indizi in un paio di candidati, senza prove davvero convincenti. Le osservazioni di LIGO-Virgo-KAGRA invece certificano la loro esistenza e dimostrano come i buchi neri di massa intermedia siano invece molto comuni nell’Universo, più di quanto si pensasse.
Due dei 35 eventi sono invece attribuibili alla fusione di stelle di neutroni con buchi neri. Questo genere di fusione è molto più rara ed è stata rivelata di recente grazie alle osservazioni congiunte di LIGO-Virgo. In tale rara classe di fusioni, un evento sembra coinvolgere un buco nero di ben 33 masse solari e una stella di neutroni pesante 1,17 volte il Sole. Questa stella di neutroni è la meno massiccia rilevata sinora.
Grazie alla casistica più ricca, sta diventando sempre più evidente la grande varietà dei buchi neri e delle stelle di neutroni che troviamo nelle più disparate combinazioni, con forti implicazioni anche nell’evoluzione stellare. La massa di tali oggetti è infatti di notevole rilevanza per comprendere l’evoluzione dei sistemi binari o multipli formati da stelle di grande massa e le fusioni che possono derivarne tra i loro resti dopo l’esplosione come supernove.
Non da meno lo studio delle onde gravitazionali ha sollevato nuove domande, come la massa limite superiore di una stella di neutroni. A quale valore di massa avviene il collasso definitivo in buco nero? Secondo i calcoli, questo limite si colloca intorno a 2,5 masse solari ma non ci sono concrete conferme.
Ad esempio, uno degli eventi riportati nel catalogo mostra come esso sia stato prodotto dalla fusione di un oggetto di circa 24 masse solari e un altro di 2,8. Non è chiaro se l’oggetto di massa minore esso sia una stella di neutroni molto massiccia oppure un buco nero ultraleggero.
Questo grafico mostra le masse di tutte le binarie compatte rilevate da LIGO/Virgo, con buchi neri in blu e stelle di neutroni in arancione. Gli oggetti sono disposti in ordine di data di scoperta. (LIGO-Virgo/Aaron Geller/Northwestern)
La vera sfida futura consiste nel coinvolgere altri osservatori e rivelatori in tutto il mondo per identificare controparti elettromagnetiche e di neutrini, come ad esempio dall’attesa supernova galattica o nel Gruppo Locale. Le controparti delle onde gravitazionali sono rare ed estremamente difficili da trovare. Nessuna delle onde gravitazionali appena annunciate ha una sua controparte.
Gli osservatori LIGO e Virgo si stanno adesso preparando per la quarta serie di osservazioni, che dovrebbe iniziare nella seconda metà del 2022. Ai due rivelatori “storici”, si unirà l’osservatorio giapponese KAGRA. Posto sotto una montagna, KAGRA ha completato con successo una prima serie di osservazioni nel 2020, senza però eseguirne di congiunte con LIGO e Virgo. Con più rilevatori, sarà possibile ottenere una migliore triangolazione dei segnali e determinare con maggiore precisione la posizione in cielo delle sorgenti.
Le future sessioni di osservazione troveranno sicuramente eventi più insoliti: gli astronomi delle onde gravitazionali hanno ancora molto da aspettarsi.
