Scritto: Martedì, 17 Marzo 2020 13:16 Ultima modifica: Martedì, 17 Marzo 2020 23:23

Onde gravitazionali, il grande silenzio si avvicina...


Mentre l'antenna giapponese fatica a produrre osservazioni utili, tra 6 settimane Virgo e LIGO verranno spente per un aggiornamento radicale che richiederà quasi due anni!

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Timeline delle osservazioni, con l'indicazione della distanza entro cui saranno rivelabili fusioni tra stelle di neutroni (BNS) Timeline delle osservazioni, con l'indicazione della distanza entro cui saranno rivelabili fusioni tra stelle di neutroni (BNS) Credits: Abbott et al. - Update and (strong) improvement by Marco Di Lorenzo

 E' ufficiale, il 30 Aprile le due antenne LIGO verranno fermate e, insieme ad esse, presumibilmente anche Virgo e Kagra subiranno un arresto delle osservazioni. L'annuncio, dato una settimana fa, non è certo una sorpresa poiché fin da quando il ciclo osservativo O3 era iniziato, il 1 Aprile 2019, la sua durata era stata fissata in 12 mesi, dunque fino alla fine di questo mese. L'interruzione nel mese di Ottobre, volta ad effettuare una serie di migliorie sulle tre antenne gravitazionali in funzione, aveva fatto slittare di 1 mese la conclusione del ciclo e si era anche ventilatala possibilità di prolungarlo di un altro mese, anche per consentire all'antenna criogenica Kagra, da poco entrata in funzione, di effettuare osservazioni congiunte per un periodo sufficientemente lungo. Tuttavia, il rivelatore nipponico sembra avere qualche difficoltà nel raggiungere una sensibilità adeguata ed i tecnici stanno lavorando alacremente per ridurre le fonti di rumore, sempre da indiscrezioni fornite dalla controparte americana. Questa situazione deve avere contribuito alla decisione di rinunciare ad una estensione del ciclo O3, tanto più che i lavori da fare si preannunciano più lunghi del previsto. In effetti, a gennaio la proiezione prevedeva un ritorno in funzione di tutti gli strumenti nell'autunno 2021, dopo  circa 17 mesi di lavori; invece, adesso si parla di ben 22 mesi di fermo, salve intoppi! Quindi il prossimo ciclo O4 dovrebbe ricominciare solo intorno al 1 Marzo 2022, come mostrato nella figura di apertura, opportunamente modificata ed aggiornata dal sottoscritto; fino ad allora saremo praticamente ciechi a nuove onde gravitazionali.

Kagra Mirror

 La prima massa criogenica di Kagra, uno specchio in zaffiro sospeso a fili e molle dello stesso materiale - Credit: Rahul Kumar/LIGO Lab

  Ma in cosa consiste questa nuova, radicale trasformazione degli interferometri? Sul versante LIGO, il progetto "A +", o "Advanced LIGO Plus" prevede una serie di attività, tra cui la costruzione di una sezione aggiuntiva del tubo a vuoto adiacente a uno dei bracci, per ospitare una nuova cavità ottica. Si prevede anche di sostituire molti specchi che costituiscono le "masse di prova" e di  installare nuovi amplificatori laser in entrambi gli osservatori.

 Una particolare attenzione verrà rivolta al potenziamento di un dispositivo cruciale sia nei rivelatori LIGO che Virgo. Si tratta dello "squeezer" (spremitore) che migliora la sensibilità degli interferometri manipolando le fluttuazioni quantistiche nel vuoto in cui operano gli strumenti. Queste fluttuazioni del vuoto possono modificare le proprietà dei singoli fotoni e ridurre la precisione nella misura del tempo di volo dei fotoni attraverso lo strumento. Poiché i cambiamenti nei tempi di arrivo dei fotoni sono ciò che rivela il passaggio di un'onda gravitazionale, misurare accuratamente il tempo di volo dei fotoni attraverso lo strumento è fondamentale per effettuare un rilevamento. 

 L'idea originale fa leva sul celebre "principio di indeterminazione" di Heisenberg e venne suggerita per la prima volta circa 40 anni fa dal fisico Carlton Caves. La compressione quantistica rende più stretta la "curva a campana" del tempo di arrivo, in modo che le fluttuazioni dei fotoni mascherino meno i segnali delle onde gravitazionali. Alcuni prototipi, come quello installato nello strumento GEO600 in Germania, hanno dimostrato che questa tecnologia è efficace nel ridurre il rumore nel rilevamento delle onde gravitazionali e ora tutti i rilevatori usano uno squeezer. 

 

DSC01206

Una ingegnere di LIGO lavora al dispositivo "quantum squeezing" di Hanford, durante la manutenzione di Ottobre 2019 - Image Credit: Nutsinee Kijbunchoo/ANU)

 Durante la lunga pausa, gli astrofisici avranno comunque parecchio da fare nell'analizzare i dati raccolti dai tre rivelatori. Finora i segnali probabilmente dovuti a vere onde gravitazionali sono almeno 53, l'ultimo ieri sera; alla fine dei 12 mesi del ciclo O3, dovrebbero raggiungere la sessantina, un numero 5-6 volte superiore a quanto osservato nei primi due cicli. Di questi, come si vede nel grafico a sinistra qui sotto, i due terzi sono fusioni di buchi neri (BBH, 35 occorrenze), seguono le fusioni tra stelle di neutroni (BNS, 6 casi) a pari merito con i sistemi "Mass Gap", quelli in cui la massa del componente più piccolo cade tra 3 e 5 masse solari (diagramma a destra). Infine, ci sono state 5 fusioni "ibride" tra buco nero e stelle di neutroni e un segnale "anomalo" di tipo "burst" non meglio classificato.

O3f tipologie

Distribuzione dei segnali in base al tipo di sorgente (a sinistra) e illustrazione del criterio di classificazione in base alla massa calcolata per le due componenti del sistema - Source: GraceDB/Abbott et al. - Processing: Marco Di Lorenzo

 Il diagramma sottostante riporta invece la significatività dei segnali (espressa dall'intervallo 1/FAR tra eventi simili dovuti a fluttuazione del rumore) e la distanza stimata della sorgente; i punti rossi si riferiscono agli eventi osservati nei precedenti cicli O1,O2.

FAR vs DIST

Data Dource: GraceDB - Plot: Marco Di Lorenzo

 

Riferimenti:

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20200304

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20200310

https://physics.aps.org/articles/v12/139

Abbott, B. P. et al. (KAGRA Collaboration, LIGO Scientific Collaboration, and Virgo Collaboration)/ "Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA" / KAGRA-LIGO-Virgo collaborations

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58 | Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

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