Scritto: Sabato, 08 Febbraio 2020 09:22 Ultima modifica: Lunedì, 10 Febbraio 2020 10:54

Lo stato delle Onde Gravitazionali


Facciamo di nuovo il punto sulle osservazioni e sulle performances delle tre antenne gravitazionali LIGO/Virgo nei primi 100 giorni di questa seconda fase del ciclo osservativo O3, con uno sguardo alla nuova antenna Kagra...

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Intensità, tipologia e frequenza dei segnali riportati nella seconda metà del ciclo O3 (100 giorni) Intensità, tipologia e frequenza dei segnali riportati nella seconda metà del ciclo O3 (100 giorni) Data Source: Ligo-Virgo collabortion/GraceDB - Processing: Marco Di Lorenzo

 Come molti lettori ricorderanno, il 1 Novembre scorso sono ricominciate le osservazioni da parte delle due antenne americane LIGO e della italo-francese Virgo, dopo una interruzione durata un mese durante la quale sono state apportate una serie di migliorie ai diversi strumenti. Questo significa che siamo circa a metà della durata complessiva della seconda ed ultima porzione del terzo ciclo osservativo O3, iniziato il 1 Aprile. In effetti, le osservazioni dovrebbero terminare il 1 Maggio di quest'anno ma è possibile che vengano estese per un mese; successivamente, sono previsti nuovi lavori di aggiornamento che dureranno più di un anno e incrementeranno drasticamente la sensibilità di tutte le antenne, rendendole di fatto dei nuovi strumenti.

 Sebbene in 100 giorni esatti siano stati ufficialmente annunciati ben 29 nuovi segnali, quasi la metà probabilmente non erano vere onde gravitazionali e quindi il tasso di rivelazione (che in teoria sarebbe dovuto aumentare dopo le migliorie apportate nel mese di Ottobre) risulta leggermente depresso rispetto ai primi sei mesi di osservazione. Inoltre Kagra, l'avanzato rivelatore criogenico giapponese, tarda ad entrare in servizio mentre si sarebbe dovuto affiancare agli altri tre già da un paio di mesi.

 Andiamo con ordine e riprendiamo, aggiornandole, le considerazioni fatte 4 mesi fa, quando analizzammo i risultati dei primi 6 mesi del ciclo O3.

SE 3 2 b

Lista dei "super-eventi" di probabile natura astrofisica rilevati finora nella seconda parte del ciclo O3  - Data source: GraceDB - Processing+Plot: Marco Di Lorenzo

 Come si vede nella tabella qui sopra, considerando anche l'ultimo segnale rilevato ieri, il totale di eventi di probabile natura astrofisica nell'intero ciclo osservativo è salito a 46 e la loro suddivisione per tipo di sorgente è rimasta praticamente immutata: il 65% è stato prodotto dalla fusione di due buchi neri (Binary Black Hole) mentre le altre 3 categorie sono perfettamente equi-ripartite (11% ciascuna). Tuttavia, adesso fa capolino anche una tipologia mai osservata prima, dovuta all'intrigante segnale rilevato lo scorso 14 gennaio, con nome provvisorio di S200114f. Il software di classificazione che sta dietro al GraceDB non è riuscito a individuarne il meccanismo all'origine e quindi non ha potuto nemmeno attribuirgli una verosimile distanza, dato che questa si ottiene indirettamente, incrociando i modelli astrofisici teorici con l'intensità del segnale osservato. Questo è un indizio del fatto che siamo davanti ad un segnale insolito, per il quale non esiste un modello ben definito. In effetti, da indiscrezioni sappiamo che non si è trattato di un "chirp", ovvero il caratteristico "cinguettio" di intensità e frequenza crescente che prelude alla fusione tra due corpi collassati; si sarebbe trattato piuttosto di un "burst" brevissimo (14 millisecondi), contenente solo frequenze medio-alte. Il sospetto è che possa trattarsi un'onda generata dal collasso di un nucleo stellare e, in effetti, nella zona di cielo da cui appare provenire il segnale (costellazione dei Gemelli) in quei giorni sono state individuate ben 4 supernove lontane; a quanto pare, però, nessuna di esse è risultata essere una controparte convincente. Ne sapremo sicuramente di più nei prossimi mesi.

O3e tipologie

Classificazione delle sorgenti delle 45 onde gravitazionali osservate nell'intero ciclo O3, con indicazione del numero di eventi per ciascun meccanismo d'origine (il codice dei colori è lo stesso dell'immagine di apertura) - Data source: GraceDB - Processing+Plot: Marco Di Lorenzo

 Sulla frequenza degli eventi, se nei primi 183 giorni si era registrato un tasso di 1,18 segnali reali ogni settimana (uno ogni 5,9 giorni), nei 100 giorni successivi siamo scesi a 1,05 eventi/settimana (uno ogni 6,7 giorni). Statisticamente parlando, potrebbe trattarsi di una fluttuazione casuale ma se consideriamo che dopo i lavori di settembre ci si aspettava un aumento di sensibilità, la flessione comincia a divenire difficile da spiegare. Tuttavia, c'è un fatto interessante che potrebbe aiutare a spiegare il mistero: accanto a una discesa nel numero di segnali reali, c'è stato un aumento significativo nel numero di ritrattazioni, ovvero di segnali inizialmente considerati reali dal software ma riclassificati a distanza di alcuni minuti come probabilmente dovuti a rumore o difetti nei rivelatori. Viene quindi il sospetto che, dal 1 Novembre, la selezione sia semplicemente divenuta più stringente e quella che prima veniva considerata una vera onda gravitazionale adesso sia adesso riconosciuta come un errore. In effetti, se includiamo nel calcolo della frequenza anche i segnali di "origine terrestre" e quelli ritrattati, la frequenza è passata da 1,53 a 1,96 eventi/settimana, dunque un aumento di quasi il 30% che sembra molto più ragionevole e credibile.

 Parliamo un attimo dell'utilizzo delle tre antenne in questa seconda parte del ciclo O3. La frazione di tempo trascorso con 3 interferometri attivi ammonta a quasi la metà, per la precisione il 49,7%, un sensibile miglioramento rispetto al 44,1% dei 6 mesi iniziali; per contro, la porzione con 2 interferometri è scesa dal 37,6% a 34,5% e quella con un solo interferometro da 14,9% a 11,5%; per finire, il 4,3% del tempo è trascorso con nessuno strumento attivo, contro il 3,4% della fase precedente. E' confermato lo schema settimanale, con percentuali di utilizzo medio che vanno da un minimo del 56,6% il martedi ad un massimo dell' 86,8% il venerdi.

 Torniamo ora ai segnali ritenuti "reali", ovvero quelli non ritrattati e per i quali la probabilità di una origine terrestre è inferiore al 50%; avendo assodato che l'efficienza di rivelazione e il criterio di classificazione devono essere variati, si può cercare di ricalcolare tale efficienza di rivelazione negli ultimi 100 giorni a seconda del numero di rivelatori in funzione. Nove dei 15 segnali sono stati visti con tre antenne e i rimanenti 6 con due sole antenne. Sulla base dei dati di utilizzo citati poco fa, quindi, l'efficienza risulta praticamente la stessa con due o tre interferometri mentre appare nulla con uno strumento; è chiaro che queste cifre sono falsate da una statistica troppo povera e non possono essere utilizzate, da sole, per stimare l'efficienza di rivelazione; pertanto, si useranno i dati combinati con la prima fase di O3.

 Per quanto riguarda l'intensità dei segnali osservati fino ad ora, essa è legata almeno in parte alla significatività statistica, espressa in termini di FAR (False Alarm Rate). Questo parametro è riportato per ciascun evento sulle ordinate nel grafico di apertura mentre, nel grafico sottostante, vediamo la sua distribuzione cumulativa per due popolazioni, quella dei segnali "veri" (in blu) e quella di tutti i segnali, compresi quelli di origine terrestre e quelli ritrattati (in giallo). Come si vede, le due curve si separano solo per valori di FAR bassi, poiché i 9 segnali più significativi sono tutti sicuramente onde gravitazionali di origine astrofisica e hanno una frequenza davvero infinitesimale (<2,4⋅10-18 Hz, ovvero meno di un falso allarme casuale dal Big Bang ad oggi!); all'altro estremo, il 14,5% di tutti i segnali hanno FAR>2,5⋅10-8 Hz (un falso allarme in meno di 15 mesi) e la percentuale sui segnali "reali" scende al 6,5%.

O3 FAR distr

Numero di eventi al variare della loro significatività - Data source: GraceDB - Processing+Plot: Marco Di Lorenzo

 In ultimo, diamo una occhiata ravvicinata al rivelatore giapponese. Costruito in una ex-miniera nelle viscere del monte Ikeno, l'osservatorio per onde gravitazionali Kagra fa parte del più ampio complesso Kamioka, cui appartiene anche il celebre esperimento "Super-Kamiokande" (anche esso sotterraneo) per la rivelazione di neutrini. I due bracci sotterranei dell'interferometro si estendono in direzioni ortogonali per 3 km ciascuno, come quelli di Virgo; le masse sospese alle loro estremità sono specchi di zaffiro, raffreddati a pochi Kelvin insieme al sistema di ammortizzatori a cui sono sospese. Per questo, il rivelatore nipponico si avvale di una esperienza di ricerca ventennale che lo rende tecnologicamente più avanzato rispetto ai suoi analoghi in America ed Europa; fondamentali sono state le precedenti esperienze con i prototipi TAMA300 e CLIO.

Kagra sensitivity

La sensibilità (strain) prevista per Kagra in funzione della frequenza del segnale, con le varie fonti di rumore che la limitano - Credits: LCGT 2009 / Tokyo University - Processing: Marco Di Lorenzo

 La sensibilità prevista di Kagra (figura qui sopra) sarà inizialmente bassa ma, a regime, dovrebbe risultare comparabile a quella di Virgo (l'uso di masse criogeniche farebbe pensare a qualcosa di più). La costruzione dello strumento è iniziata nel 2012 ed è stata completata il 4 Ottobre ma la "baseline" planned cryogenic operation" (bKAGRA) è slittata a una non meglio precisata data, nel 2020. In questo modo, anche nell'eventualità di una estensione del ciclo O3, c'è il rischio che Kagra entri in funzione quando le altre antenne staranno per spegnersi, come era successo quando Virgo entrò in funzione per un solo mese nel 2017; questo sarebbe un vero peccato perchè, grazie alla sua collocazione geografica, Kagra darebbe un contributo essenziale nel rivelare i segnali e localizzarne le sorgenti sulla volta celeste, riducendo praticamente a zero la "zona cieca" degli strumenti attualmente in funzione.

timeline 8g

Timeline delle osservazioni, con l'indicazione della distanza entro cui saranno rivelabili fusioni tra stelle di neutroni (BNS) - Credits: Abbott et al. / "Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA" / KAGRA-LIGO-Virgo collaborations - Update and (strong) improvement by Marco Di Lorenzo

 Per concludere, una segnalazione importante sulla possibilità, per chiunque lo voglia, di partecipare attivamente alla classificazione degli eventi osservati da LIGO: si tratta del progetto "citizen science" denominato gravity-spy.

 

Riferimenti:

https://gcn.gsfc.nasa.gov/gcn3/26764.gcn3

https://en.wikipedia.org/wiki/KAGRA

https://www.youtube.com/watch?v=DUg0wqK9VoM

https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/researcher/parameter

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Read 293 times Ultima modifica Lunedì, 10 Febbraio 2020 10:54
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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