Ecco la mappa delle fusioni di buchi neri rilevate da Ligo-Virgo

AGI - La classificazione e la analisi finale dei 39 eventi rivelati da Virgo e LIGO nella prima parte del terzo periodo osservativo (da Aprile a Ottobre 2019) è stata pubblicata oggi sull’archivio online ArXiv. Prevalentemente si tratta di fusioni di buchi neri, le cui caratteristiche comunque mettono in discussione alcuni modelli astrofisici riconosciuti e aprono nuovi scenari. Inoltre sono state rivelate la probabile fusione di due stelle di neutroni e la fusione di due sistemi verosimilmente misti, cioè composti da un buco nero e una stella di neutroni.

Ci hanno messo un anno gli scienziati delle collaborazioni Virgo e LIGO per completare lo studio di tutti i segnali di onda gravitazionale che sono stati registrati dall’interferometro Virgo, operante in Italia presso l’European Gravitational Observatory (EGO), e dai due interferometri statunitensi LIGO, durante il periodo di presa dati, denominato O3a, tra il 1 Aprile e il 1 Ottobre 2019.

Gli eventi comprendono: 36 fusioni di sistemi di due buchi neri, una verosimile fusione tra due stelle di neutroni, e la fusione di due sistemi che molto probabilmente erano composti da un buco nero e una stella di neutroni.

Tra tutti, quattro ‘eventi eccezionali’ sono stati già oggetto di pubblicazione nel corso dei mesi passati; il catalogo rilasciato oggi offre per la prima volta una visione completa dello straordinariamente grande numero di onde gravitazionali rivelate e dei sistemi che le hanno generate. Esso rappresenta una ricca mole di osservazioni e dati sulla fisica dei buchi neri difficilmente immaginabile fino a pochi anni fa.

"Sin dalla fine del secondo periodo osservativo O2 nell’Agosto 2017 sono stati fatti molti sforzi per migliorare il rivelatore in diverse parti, così da aumentare la sensibilità di Virgo a tutte le frequenze", ha detto Ilaria Nardecchia, ricercatrice della Università di Roma Tor Vergata and membro della Collaborazione Virgo. "Abbiamo raccolto i risultati del nostro lavoro raddoppiando la sensibilità del rivelatore!".

In effetti tra Settembre 2017 Aprile 2019 la sensibilità di tutti e tre i rivelatori nella rete è aumentata in misura significativa. Nel caso di Virgo questo si traduce nel fatto che è stato in grado di osservare un volume di Universo quasi dieci volte più vasto rispetto al precedente periodo osservativo (O2). "Le osservazioni di Advanced Virgo e LIGO sono andate oltre le aspettative. Oltre ad inaugurare una nuova e entusiasmante fase nella storia delle osservazioni umane del cosmo, stiamo vedendo eventi che o mancavano prima di ogni evidenza osservativa o vanno al di là della nostra attuale comprensione dell’evoluzione stellare", ha detto Ed Porter, direttore di ricerca del CNRS presso APC-Paris, e membro della Collaborazione Virgo.

Le immagini mostrano le localizzazioni nel cielo per le diverse rivelazioni di LIGO-Virgo incluse nel catalogo di O3a. Ciascuna localizzazione - rappresentata da una area colorata sulla mappa - è ottenuta sulla base dei dati dei tre rivelatori nella rete. Sono indicati: il giorno e ora dell'arrivo sulla Terra, il nome scientifico e il tempo necesario al segnale per arrivare sulla Terra dalla regione dell'Universo dove si è generato. La localizzazione è fondamentale per permettere ricerche astrofisiche successive e che si basano su messaggeri diversi, quali la luce e i neutrini. (Image credit: EGO/Virgo Collaboration/Greco)

"Dopo solo 5 anni dalla prima rivelazione delle onde gravitazionali, possiamo dire che l’astronomia gravitazionale è una realtà". La rivelazione delle onde gravitazionali ci permette, per la prima volta, di osservare da vicino la dinamica delle straordinarie fusioni di buchi neri e stelle di neutroni, che rilasciano lampi di energia equivalenti fino a diverse masse solari sotto forma di onde gravitazionali.

Questo ci permette, come non era possibile prima, di studiare la fisica dei buchi neri, i fenomeni cosmici che li generano e anche le caratteristiche delle più grandi popolazioni di buchi neri.

In verità i risultati di questo catalogo pongono questioni serie sulla validità di alcuni scenari e modelli astrofisici che sembravano fino ad oggi i più plausibili. In particolare, le masse dei buchi neri presenti nel catalogo relativo a O3a pongono alla prova diversi limiti teorici e osservatvi sugli intervalli di massa delle popolazioni di buchi neri.

Alcune osservazioni, ad esempio, indicano la presenza di oggetti compatti (che potrebbero essere sia buchi neri che stelle di neutroni) esattamente nell’intervallo vuoto tra la massa della stella di neutroni più pesante e quella del buco nero più leggero osservati dagli astronomi ad oggi. Questo intervallo vuoto pertanto potrebbe assottigliarsi o addirittura sparire.

Altri buchi neri osservati hanno un valore di massa tra le 65 e le 120 masse solari, un intervallo di massa impossibile secondo i modelli di evoluzione stellare.

Secondo questi modelli, le stelle più massicce, con massa oltre una data soglia, vengono completamente distrutte dalla esplosione di supernova, a causa di un processo noto come instabilità di coppia, e di esse rimane traccia solo come gas e polvere cosmica. L’esistenza di buchi neri con massa nell’intervallo proibito dall’instabilità di coppia suggerisce altri meccanismi di formazione dei buchi neri, come dalla fusione di buchi neri più leggeri o dalla collisione di stelle massicce, ma può anche indicare che è necessario rivedere la nostra descrizione degli stadi finali della vita delle stelle.

La pubblicazione del catalogo di O3a è la conclusione di un lavoro complesso che consta di molte fasi e che coinvolge la calibrazione dei rivelatori, la caratterizzazione dei loro dati e la loro analisi. Per ogni periodo osservativo viene pubblicato un catalogo solo dopo che i ricercatori hanno terminato di validare i dati, rendendo così possibile la stima dei parametri fisici (quali le masse, gli spin e le distanze) delle fusioni di buchi neri e stelle di neutroni, come pure degli errori associati a tali stime.

Dei 39 eventi in questo nuovissimo catalogo, 26 erano stati annunciati come allerta alla comunità astrofisica subito dopo la loro misura, mentre invece 13 vengono annunciati per la prima volta nell’articolo pubblicato oggi. Questi 39 eventi si aggiungono agli 11 eventi di onda gravitazionale annunciati da LIGO e Virgo nei precedenti periodi osservativi (O1 e O2). Oltre al catalogo degli eventi di LIGO-Virgo, altri tre articoli appaiono oggi sull’archivio online ArXiv e riguardano: l’analisi globale delle proprietà astrofisiche dei sistemi sorgenti delle onde gravitazionali, le nuove prove a cui è stata sottoposta la teoria della Relatività Generale, e la ricerca di segnali gravitazionali in coincidenza con lampi di raggi gamma.

"Questi articoli sono molto importanti e rappresentano un passo in avanti in un viaggio lungo e affascinante", ha detto Giovanni Losurdo, dirigente di ricerca dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e portavoce della Collaborazione Virgo. "Stiamo già al lavoro per i risultati della seconda parte del terzo periodo osservativo (O3b). Il numero molto alto di eventi ancora da studiare e capire rappresenta una promessa che il prossimo catalogo sarà altrettanto entusiasmante di questo, se non ancora di più. Nel frattempo siamo al lavoro per realizzare sostanziali miglioramenti al rivelatore Virgo, al fine di compiere il prossimo periodo osservativo, nel 2022, di nuovo con una sensibilità significativamente maggiore".