Il primo mese della nuova campagna di osservazione O3 dei tre interferometri LIGO-Virgo, iniziata il 1° aprile e prevista durare un anno, sta già premiando con un grande numero di segnali candidati di onde gravitazionali l’impegno scientifico e lo sforzo tecnologico delle collaborazioni LIGO-Virgo, che ora stanno lavorando all’interpretazione dei dati raccolti. I miglioramenti ottenuti nella sensibilità dei rivelatori e il fatto che i tre strumenti, i due interferometri LIGO negli Stati Uniti (nello stato di Washington e in Louisiana), e Virgo a EGO European Gravitational Observatory in Italia, siano stati operativi simultaneamente dal primo giorno stanno offrendo un’opportunità senza precedenti per lo studio dei segnali di onde gravitazionali. Inoltre, nella nuova campagna O3 LIGO-Virgo diramano allerta pubblici che ora sono subito disponibili, per facilitare le osservazioni di follow-up da parte di altri telescopi, e migliorare così il potenziale delle osservazioni multimessaggere. In questo primo mese di attività sono stati lanciati cinque allerta pubblici (che possono essere consultati nel database degli eventi candidati di onde gravitazionali).

"Virgo funziona con la massima stabilità: sta osservando il cielo per il 90% del tempo, contribuendo così in modo fondamentale al puntamento delle sorgenti”, spiega Giovanni Prodi, ricercatore dell’INFN e professore all’Università di Trento, coordinatore dell'analisi dei dati di Virgo. "Il lavoro di squadra di LIGO-Virgo, sia in termini di persone che di strumenti, è stato ancora una volta la chiave del successo scientifico in questo primo mese di osservazione”. “Ora abbiamo altri 11 mesi davanti a noi: c’è un grande lavoro di ricerca pionieristica che ci aspetta”, conclude Prodi.

Dei cinque segnali registrati, tre sono classificati come candidati di fusione di sistemi binari di buchi neri (Binary Black Hole, BBH). Ma la valutazione completa dei segnali necessita altre analisi che sono già in corso. Mentre, gli altri due eventi, registrati il 25 e il 26 aprile, sembrano indicare la coalescenza di sistemi binari che coinvolgono almeno una stella di neutroni (NS) e richiedono indagini ancora più approfondite.

Il 25 aprile, alle 08:18 circa (UTC) è stata osservata una probabile fusione di un sistema binario di stelle di neutroni (Binary Neutron Star, BNS), che è stato chiamato S190425z. Questo segue il famoso GW170817, il primo BNS rivelato due anni fa, che ha dato inizio all'astronomia multimessaggera con onde gravitazionali. La ricerca di possibili controparti elettromagnetiche, ossia di segnali nello spettro elettromagnetico associati al segnale gravitazionale, è ancora in corso. Questa ricerca nel caso di S190425z è molto più difficile di quanto non sia stato per GW170817: questa volta, infatti, la localizzazione nel cielo è più incerta perché la sorgente è quattro volte più distante e perché il segnale è stato registrato mentre erano operativi solo due rilevatori, LIGO-Livingston e Virgo.

L'altro segnale candidato che coinvolge una stella di neutroni, chiamato S190426c, si è verificato il 26 aprile alle 15:22 circa (UTC). Tutti e tre i rivelatori LIGO-Virgo erano in osservazione ma, a causa del segnale più debole perché proveniente da una sorgente lontana, l'indagine per confermare la natura astrofisica di S190426c e comprenderla a fondo richiederà più tempo. Si tratta, infatti, di un segnale estremamente interessante, perché la sua morfologia suggerisce che potrebbe essere stato emesso da un sistema misto composto da una stella di neutroni e un buco nero (NS-BH), che si fonde in un buco nero più massiccio.

“Se i primi tre segnali saranno confermati - commenta Viviana Fafone, ricercatrice dell’INFN e professore all’Università di Roma Tor Vergata, coordinatore nazionale INFN di Virgo - questi candidati si aggiungerebbero al catalogo di 10 fusioni di sistemi binari di buchi neri rivelati da LIGO-Virgo nelle precedenti campagne di osservazione, e contribuirebbero a migliorare la nostra comprensione dei processi di formazione di questi oggetti compatti estremi e della natura della gravità e dello spaziotempo”. “Se poi riuscissimo a confermare con le analisi più approfondite il segnale S190426c come un’onda gravitazionale emessa dalla fusione di un sistema binario misto stella di neutroni-buco nero, sarebbe la prima volta che osserviamo questo tipo di sorgente e ciò rappresenterebbe un nuovo importante passo avanti nelle nostre conoscenze”, conclude Fafone.

“Abbiamo cercato la luce sia per il segnale registrato il 25 aprile che per quello del 26, ma è un’impresa complessa soprattutto per le vaste regioni di cielo da osservare”, spiega Marica Branchesi, ricercatrice dell’INFN e professore al GSSI Gran Sasso Science Institute, che lavora con i gruppi di coordinamento del follow-up GRAWITA dell'INAF Istituto Nazionale di Astrofisica ed ENGRAVE. “Sono stati trovati segnali che sembravano interessanti ma che poi, osservati con la spettroscopia, si sono purtroppo rivelati non compatibili con le possibili sorgenti dei segnali gravitazionali”. “Si continua a cercare, anche se la probabilità di trovare qualcosa è ormai bassa ma, indipendentemente dalla luce, se confermati, i segnali gravitazionali saranno fondamentali per comprendere le stelle di neutroni e come la materia si comporta in condizioni estreme di gravità”.

Prima di iniziare O3, tutti i rilevatori della rete, i due Advanced LIGO e Advanced Virgo, hanno compiuto importanti lavori di miglioramento delle prestazioni. Advanced Virgo ha quasi raddoppiato la sua sensibilità rispetto alla seconda campagna di osservazione, O2, conclusasi nel 2017.

Advanced Virgo ora può osservare in modo affidabile la fusione di un BNS a una distanza dalla Terra di circa 160 milioni di anni luce e la fusione di un sistema BBH a una distanza di circa 2 miliardi di anni luce (per masse BH pari a 30 masse solari).

“Attualmente, Advanced Virgo è il rilevatore della rete con la più alta percentuale di tempo trascorso osservando l'universo, - sottolinea Alessio Rocchi, ricercatore dell’INFN e coordinatore del commissioning dell’interferometro Virgo - un notevole successo, che è stato limitato solo dai lavori di manutenzione, pianificati in coordinamento con LIGO per ottimizzare le prestazioni della rete, e da occasionali forti disturbi ambientali”. “Questo ciclo di lavoro molto elevato riflette l'accuratezza con cui vengono tenuti sotto controllo sia il rivelatore sia la stabilità del rumore strumentale”, conclude Rocchi.

“L'altissimo ciclo di lavoro di Advanced Virgo, associato alla sua distanza e al suo diverso orientamento rispetto ai due interferometri Advanced LIGO, - sottolinea Stavros Katsanevas, direttore di EGO - aumenta le capacità della rete di rivelatori nella localizzazione delle sorgenti di onde gravitazionali nel cielo e nella comprensione delle caratteristiche dei segnali registrati”. “Una localizzazione quanto più precisa è il fattore chiave che può portare a una campagna di successo di osservazioni elettromagnetiche e alla ricchezza di risultati scientifici che ne possono seguire, non possiamo quindi che essere davvero soddisfatti del nostro interferometro e molto positivi per il proseguimento della campagna O3”, conclude Katsanevas.

La previsione è di registrare molte rivelazioni di segnali di onde gravitazionali: altre fusioni di sistemi binari di buchi neri, di stelle di neutroni e, magari, anche nuovi segnali gravitazionali emessi da sorgenti astrofisiche ancora mai osservate.

L'immagine: simulazione della fusione di un sistema binario di stelle di neutroni