Fusione di buchi neri e stelle di neutroni. Tutti gli eventi di onde gravitazionali visti finora in un'unica immagine
La Teoria della Relatività prevedeva l'esistenza di buchi neri e stelle di neutroni. Einstein ottiene il merito della teoria a causa del suo articolo pubblicato nel 1915, anche se il lavoro di altri scienziati lo ha aiutato. Ma indipendentemente dalle menti dietro di essa, la teoria prevedeva buchi neri, stelle di neutroni e onde gravitazionali dalle loro fusioni.
Ci sono voluti circa cento anni, ma gli scienziati hanno finalmente osservato queste fusioni e le loro onde gravitazionali nel 2015. Da allora, il LIGO/Vergine la collaborazione ne ha individuati molti. La collaborazione ha rilasciato un nuovo catalogo di scoperte, insieme a una nuova infografica. La nuova infografica mostra i buchi neri, le stelle di neutroni, le fusioni e gli altri oggetti compatti incerti dietro alcuni di essi.
LIGO è l'acronimo di Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. LIGO è in realtà due strutture negli Stati Uniti, entrambe costruite e gestite da Caltech e MIT. Il partner collaborativo di LIGO è Virgo, un interferometro situato in Italia. Durante le osservazioni tra il 2002 e il 2010, non hanno rilevato onde gravitazionali né fusioni. Alla fine, le strutture sono state aggiornate e nel 2015 hanno rilevato la loro prima fusione.
Quell'evento si chiamava GW150914 e risulta da una fusione tra un buco nero di massa stellare 36 e un buco nero di massa stellare 29. È stato un grosso problema. Tre scienziati dietro la prima osservazione hanno ricevuto un premio Nobel e l'osservazione ha promesso di aprire una finestra completamente nuova sull'astronomia e la cosmologia. Ora, la collaborazione LIGO/Virgo rileva una fusione e onde gravitazionali circa una volta ogni cinque giorni.
L'infografica accompagna il nuovo catalogo di onde gravitazionali e fusioni pubblicato da LIGO/Virgo. Il catalogo è chiamato GWTC-2, o Gravitational-Wave Transient Catalog-2. Mentre il catalogo precedente conteneva solo 11 segnali, questo nuovo ne contiene 50.
'Stiamo ottenendo un quadro più ricco della popolazione di sorgenti di onde gravitazionali'.
Frank Ohme, leader, gruppo di ricerca indipendente Max Planck presso AEI Hannover
I segnali provengono da tutte le combinazioni di fusioni tra buchi neri e stelle di neutroni.
Le fusioni di oggetti compatti scoperti finora da LIGO e Virgo (in O1, O2 e O3a). Il diagramma mostra buchi neri (blu), stelle di neutroni (arancione) e oggetti compatti di natura sconosciuta (grigio), che sono stati rilevati dalla loro emissione di onde gravitazionali. Ogni fusione di un sistema binario corrisponde a tre oggetti compatti mostrati: i due oggetti che si fondono e il risultato della fusione. Viene mostrata una selezione di buchi neri (viola) e stelle di neutroni (giallo) scoperti da osservazioni elettromagnetiche. Credito immagine: Collaborazione LIGO Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern
Il nuovo catalogo contiene alcune sorprese. Un paio di rilevamenti provenivano da fusioni di oggetti di piccola massa.
“Una delle nostre nuove scoperte, GW190426_152155, potrebbe essere la fusione di un buco nero di circa sei masse solari con una stella di neutroni. Sfortunatamente il segnale è piuttosto debole, quindi non possiamo essere del tutto sicuri', spiega Serguei Ossokine, uno scienziato senior dell'AEI Potsdam. “GW190924_021846 deriva certamente dalla fusione dei due buchi neri più leggeri che abbiamo visto finora. Uno aveva la massa di 6 Soli, l'altro quella di 9 Soli. Ci sono segnali da fusioni con oggetti meno massicci come GW190814 ma non sappiamo con certezza se si tratti di buchi neri'.
Le nuove rilevazioni nel catalogo derivano da miglioramenti nella collaborazione LIGO/Virgo. L'elaborazione dei dati grezzi è stata migliorata, così come il modo in cui vengono gestiti glitch o disturbi. Un comunicato stampa afferma che questi miglioramenti consentiranno a LIGO/Virgo di 'ascoltare il cosmo più a fondo che mai'.
'Una chiave per trovare un nuovo segnale di onde gravitazionali circa una volta ogni cinque giorni per sei mesi sono stati gli aggiornamenti e i miglioramenti dei due rilevatori LIGO e del rilevatore Virgo', afferma Karsten Danzmann, direttore del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) e direttore dell'Istituto di Fisica Gravitazionale dell'Università Leibniz di Hannover. “Ruoli importanti giocati, ad esempio, dai laser ad alta potenza sviluppati all'AEI Hannover, dai nuovi specchi e dalla riduzione delle sorgenti di rumore di fondo. Ciò ha aumentato di un fattore quattro il volume in cui i nostri rivelatori potevano captare il segnale proveniente, ad esempio, dalla fusione di stelle di neutroni!
L'Osservatorio sull'onda gravitazionale dell'interferometro laser è composto da due rilevatori, questo a Livingston, La., e uno vicino a Hanford, nello Stato di Washington. I rilevatori utilizzano braccia giganti a forma di 'L' per misurare minuscole increspature nel tessuto di l'universo. Credito: Caltech/MIT/LIGO Lab
A prima vista, ciascuno di questi eventi può sembrare simile. Sono tutti il risultato di fusioni di buchi neri e/o stelle di neutroni. Ma secondo Frank Ohme, leader di un gruppo di ricerca indipendente Max Planck presso l'AEI Hannover, le osservazioni rivelano sempre più dettagli.
“Quando guardi il catalogo, c'è una cosa che tutti gli eventi hanno in comune: provengono da fusioni di oggetti compatti come buchi neri o stelle di neutroni. Ma se guardi più da vicino, sono tutti molto diversi', ha detto Ohme. “Stiamo ottenendo un quadro più ricco della popolazione di sorgenti di onde gravitazionali. Le masse di questi oggetti coprono un intervallo di massa molto ampio da circa quello del nostro Sole a più di 90 volte quello, alcuni di loro sono più vicini alla Terra, altri sono molto lontani'.
I ricercatori con LIGO/Virgo hanno anche pubblicato quattro articoli sui loro risultati. Tutti e tre sono su a arxiv.org , un server di prestampa e nessuno è stato ancora sottoposto a peer review.
Uno dei punti salienti del catalogo è GW190521, che è la più massiccia fusione di buchi neri binari con una massa totale di 150 Soli e la prima osservazione della nascita di un buco nero di massa intermedia. Un altro è GW190425, che è molto probabilmente la seconda osservazione di una fusione binaria di stelle di neutroni.
Visualizzazione della coalescenza di due buchi neri che si ispirano e si fondono, emettendo onde gravitazionali. Un buco nero è 9,2 volte più massiccio dell'altro ed entrambi gli oggetti non ruotano. Credito immagine: N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration
Col passare del tempo, la tecnologia ha prodotto modi per testare l'accuratezza predittiva delle teorie di Einstein. Uno dei nuovi articoli si occupa di quanto bene le rilevazioni di LIGO/Virgo siano d'accordo con la relatività generale. Si intitola ' Test di relatività generale con i segnali binari compatti dal catalogo LIGO-Virgo GWTC-2 .” La teoria di Einstein ha retto bene, ancora una volta, e secondo un comunicato stampa, lo studio non ha trovato 'nessuna prova per una nuova fisica al di là di questa teoria'.
Un altro documento utilizza fusioni e onde gravitazionali per elaborare una nuova misurazione per la costante di Hubble. Il suo titolo è ' Una misurazione dell'onda gravitazionale della costante di Hubble dopo la seconda serie osservativa di Advanced LIGO e Virgo .” Invece di usare candele standard, il giornale fa uso di 'sirene standard'. La sirena standard si riferisce a come la distanza da un evento di fusione è codificata nelle onde gravitazionali che risultano dall'evento.
Questo nuovo catalogo copre la prima metà della terza fase osservativa (O3), che si è svolta dal 1 novembre 2019 al 27 marzo 2020. I ricercatori di LIGO/Virgo hanno emesso avvisi per altri 23 eventi in O3b, la seconda metà della terza fase osservativa. Ma sono solo possibili onde gravitazionali e non sono ancora state confermate. Dopo un'analisi più dettagliata, alcuni di essi potrebbero essere pubblicati.
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