Un caleidoscopio di collisioni cosmiche: il nuovo catalogo dei segnali gravitazionali di LIGO, Virgo e KAGRA

Pubblicato oggi il catalogo di tutti i 128 nuovi eventi osservati da LIGO, Virgo e KAGRA da maggio 2023 a gennaio 2024. Rivela una varietà ancora maggiore di coppie binarie che producono onde gravitazionali rispetto a quanto era noto in precedenza. Le nuove osservazioni ci consentono di comprendere meglio la formazione dei buchi neri, di indagare l’evoluzione cosmologica dell’universo e di fornire conferme sempre più rigorose della teoria della relatività generale.

Il network internazionale dei rivelatori di onde gravitazionali LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Italia e KAGRA in Giappone (LVK) ha annunciato oggi la pubblicazione del catalogo aggiornato di tutti gli eventi gravitazionali osservati finora, chiamato Gravitational-Wave Transient Catalog-4.0 (GWTC-4).
I risultati sono il frutto delle analisi approfondite condotte per più di due anni dagli scienziati della Collaborazione LVK sui nuovi segnali osservati, con l’obiettivo di confermarne l’effettiva validità e di studiarne le più importanti implicazioni astrofisiche e cosmologiche.
Sebbene alcuni di questi siano già stati annunciati negli scorsi mesi, la pubblicazione del nuovo catalogo offre una prospettiva unica sull’insieme e sulla portata di tutti i segnali osservati dalla Collaborazione LVK dal Maggio 2023 al Gennaio 2024 (durante il ciclo di osservazione chiamato O4a) e mostra come l’Universo riecheggi in un vero e proprio caleidoscopio di collisioni cosmiche.

Sono 128 i nuovi eventi presentati nel catalogo con una serie di articoli apparsi su Astrophysical Journal Letters e raddoppiano abbondantemente il numero di eventi del precedente catalogo, che conteneva i 90 segnali rivelati nelle precedenti tre campagne di osservazione.
Dai dati, che sono ora stati resi disponibili anche per ulteriori analisi di gruppi di ricerca esterni, emerge una ancora maggiore varietà, rispetto agli eventi già noti, di coppie binarie che producono onde gravitazionali: tra queste la binaria di buchi neri più massiccia mai rivelata con le onde gravitazionali, una binaria di buchi neri che presenta la massima asimmetria mai osservata tra le masse e una in cui entrambi i buchi neri hanno rotazioni eccezionalmente elevate, oltra a due binarie di buchi neri e stelle di neutroni. 

“Nell’ultimo decennio, l’astronomia delle onde gravitazionali ha fatto passi da gigante, passando dalla prima rivelazione all’osservazione di centinaia di fusioni di buchi neri”, afferma Stephen Fairhurst, professore alla Cardiff University e portavoce della LIGO Scientific Collaboration. “Queste osservazioni ci consentono di comprendere meglio come si formano i buchi neri dal collasso di stelle massicce, di indagare l’evoluzione cosmologica dell’universo e di fornire conferme sempre più rigorose della teoria della relatività generale”.

“La pubblicazione del catalogo GWTC-4 rappresenta un passo avanti decisivo, aggiungendo 128 nuovi segnali ai nostri dati in meno di un anno di osservazioni”, ha affermato il portavoce di Virgo Gianluca Gemme, ricercatore di INFN. “Questa ricchezza di dati rivela un vero e proprio caleidoscopio di collisioni cosmiche: dai buchi neri binari più pesanti mai rilevati, come GW231123, alle coppie che ruotano a quasi metà della velocità della luce. Queste non sono più solo rare anomalie, ma forniscono la base statistica di cui abbiamo bisogno per testare la relatività generale di Einstein con una precisione senza precedenti e per fornire una nuova misurazione indipendente della velocità di espansione del nostro universo. Per Virgo e la rete LVK, questi risultati dimostrano che ora stiamo mappando la complessa evoluzione del cosmo con maggiore chiarezza che mai.”

Segnali insoliti

Tra i segnali più insoliti rivelati nella prima fase della campagna di osservazione O4 c’è GW231123 (la denominazione si riferisce al giorno corrispondente all’osservazione del segnale, secondo la convenzione USA): è un segnale generato dal sistema binario di buchi neri più pesante mai rilevato fino ad oggi, ciascuno con una massa pari a circa 130 volte quella del Sole. La maggior parte dei buchi neri dei sistemi binari rivelati ha una massa pari a circa 30 masse solari. I buchi neri molto più pesanti che hanno generato GW231123 suggeriscono che ciascuno di essi possa essere il risultato di una precedente collisione tra buchi neri “progenitori” più leggeri, probabilmente in ‘ambienti cosmici’ estremamente affollati e caotici.

Un altro caso di straordinario interesse è quello di GW231028, generato da una coppia di buchi neri con il più alto spin di rotazione mai osservato: con entrambi i buchi neri che ruotano molto velocemente, a circa il 40% della velocità della luce. Anche in questo caso, gli scienziati sospettano che questi buchi neri siano il prodotto di precedenti collisioni, da cui hanno ricavato la grandissima energia di rotazione. Tra gli eventi della raccolta c’è anche GW231118, generato da una coppia insolitamente sbilanciata, con un buco nero due volte più massiccio dell’altro.

Grazie alle più recenti rilevazioni delle onde gravitazionali e alla significativa crescita dei dati relativi alle fusioni di buchi neri, gli scienziati hanno cominciato a studiare le proprietà dei buchi neri in termini di popolazioni.

“Quando rileviamo segnali inaspettati come GW231123 e GW231028, ci troviamo di fronte sia a una sfida che a un’opportunità entusiasmante. Queste scoperte ci ricordano che l’Universo può ancora sorprenderci. Per comprenderlo veramente, i nostri modelli scientifici devono essere in grado di spiegare – e persino anticipare – l’intera gamma di segnali che la natura crea”, ha affermato Filippo Santoliquido, ricercatore presso il Gran Sasso Science Institute.

I nuovi dati consentono inoltre ai team di ricerca di raffinare test e misure, realizzate in precedenza con un set di dati più ridotto, continuando a esplorare e indagare alcuni grandi e irrisolti temi della fisica contemporanea.

Einstein ha ancora ragione?

Le nuove rilevazioni consentono, ad esempio, di fare ulteriori e più accurati test della teoria della relatività generale di Einstein: la teoria che ha rivoluzionato un secolo fa la nostra visione dell’Universo, descrivendo la forza di gravità come una proprietà geometrica dello spazio e del tempo. Da allora la teoria di Einstein è stata supportata da numerose prove sperimentali e osservazioni, dimostrando di essere la migliore descrizione teorica della gravità di cui disponiamo.

“In effetti gli stessi I buchi neri sono una delle previsioni più iconiche e sconvolgenti della relatività generale”, afferma il coautore e membro dell’LVK Aaron Zimmerman, professore associato di fisica all’Università del Texas ad Austin.
Il fatto che le collisioni di buchi neri scuotano lo spazio e il tempo in modo più intenso di quasi qualsiasi altro fenomeno immaginabile li rende, però, anche dei candidati ideali per mettere alla prova la stessa teoria. “Quando si testano le nostre teorie fisiche, è bene considerare le situazioni più estreme possibili, poiché è lì che le nostre teorie sono più suscettibili di fallire e dove abbiamo maggiori possibilità di fare scoperte” aggiunge Zimmerman

I ricercatori hanno testato la teoria di Einstein utilizzando GW230814, uno dei segnali di onde gravitazionali “più forti” osservati fino ad oggi. La soprendente nitidezza del segnale ha permesso di esaminarlo in dettaglio, per vedere se qualche suo aspetto potesse discostarsi da quanto previsto dalla teoria di Einstein.
“Finora, la teoria sta superando tutti i nostri test”, afferma Zimmerman. “Ma stiamo anche imparando che dobbiamo fare previsioni ancora più accurate per stare al passo con tutti i dati che l’universo ci fornisce”.

“Sono entusiasta di vedere come il numero crescente e la qualità sempre migliore delle rilevazioni delle onde gravitazionali stiano consentendo test sempre più sensibili della relatività generale nel regime dinamico e di campo forte della gravità”, ha affermato Soumen Roy, ricercatore presso UCLouvain, Centro di Cosmologia, Fisica delle Particelle e Fenomenologia (CP3) in Belgio. “Con future osservazioni che copriranno una gamma più ampia di masse, rotazioni ed eccentricità orbitali dei buchi neri, saremo in grado di porre vincoli più stringenti alle teorie alternative della gravità o potenzialmente scoprire segni di una nuova fisica”.

A che velocità si espande l’Universo?

Un mistero altro grande fondamentale interrogativo della cosmologia riguarda la velocità a cui oggi il nostro universo si sta espandendo. Per rispondere a questa domanda è cruciale la stima della costante di Hubble, che indica la velocità di espansione dell’universo oggi. Esistono diverse stime di questa costante che, utilizzando metodi differenti e diverse sorgenti astrofisiche, hanno fornito risposte contrastanti. Le onde gravitazionali offrono un ulteriore modo per misurare la costante di Hubble, poiché dallo studio del segnale si può calcolare, in modo relativamente semplice, la distanza percorsa a partire dalla sua origine

“C’è un crescente entusiasmo intorno alla cosmologia delle onde gravitazionali”, ha affermato Ulyana Dupletsa, ricercatrice presso il Marietta Blau Institute (Accademia Austriaca delle Scienze). “Oltre ad essere un approccio nuovo e indipendente, è molto interessante perché evita la complessa calibrazione richiesta dai metodi consolidati. Anche se non disponiamo ancora di osservazioni sufficienti per eguagliare la precisione delle misurazioni tradizionali, ogni nuova rilevazione di onde gravitazionali ci avvicina di un passo alla comprensione della velocità di espansione del nostro universo”.

Analizzando tutte le rilevazioni di onde gravitazionali nell’intero catalogo dell’LVK, gli scienziati hanno elaborato una nuova stima indipendente della costante di Hubble, che suggerisce che l’universo si sta espandendo a una velocità di 76 chilometri al secondo per megaparsec, il che significa che una galassia distante un megaparsec dalla Terra si allontanerebbe da noi a una velocità di 76 km/s.