Anche i rivelatori di onde gravitazionali ora hanno “l’auto-tune”

La rete di rivelatori LIGO – Virgo – KAGRA (LVK) ha un nuovo asso nella manica per migliorare la sensibilità degli strumenti alle onde gravitazionali: si chiama Astro Calibration (calibrazione astrofisica) e ha un ruolo analogo a quello dell’autotune nella produzione musicale.

Quando un’onda gravitazionale attraversa la Terra i rivelatori LIGO, Virgo e KAGRA sono pronti a captarla, ma la loro sensibilità dipende da tanti fattori ed è possibile che uno di loro in quel momento non sia al massimo delle sue potenzialità. In casi come questo è fondamentale poter agire sui dati raccolti da quel rivelatore per migliorarne la qualità, e la retedi rivelatori ha ora un nuovo efficiente strumento per farlo: la Astro Calibration (calibrazione astrofisica).

Le onde gravitazionali deformano lo spazio, allungandolo e comprimendolo al loro passaggio. Questo effetto sui bracci dei rivelatori è pari a circa 10^-19 m, una dimensione molto inferiore al diametro di un protone! Per essere sensibili a cambiamenti così piccoli, i rivelatori devono essere accuratamente calibrati in tempo reale, utilizzando circuiti di controllo a retroazione e una precisa procedura che modella come il rilevatore risponde mentre le onde gravitazionali lo attraversano, tenendo conto anche degli effetti generati dagli stessi circuiti di controllo. Se la calibrazione non è ottimale, la ‘lettura’ del segnale e quindi anche l’interpretazione del fenomeno cosmico che l’ha generato vengono inficiate.

Nel caso però il segnale gravitazionale captato sia sufficientemente forte, ovvero quando questo prevale in modo chiaro sul rumore di fondo, si può ricorrere ai dati degli altri interferometri attivi (possibilmente ben calibrati) e ai modelli della relatività generale per ricalibrare a posteriori i dati di un rivelatore ‘scordato’.
I modelli teorici sono infatti come spartiti che ci suggeriscono la forma del segnale (ovvero quali note il segnale suona), assieme ai dati dei rivelatori ben ‘accordati’ permettono di pulire i dati del rivelatore non ben calibrato dagli effetti spuri, registrandoli quindi correttamente. Il processo è simile a quello con cui i software di produzione musicale, come Auto-Tune, riescono a correggere le note stonate di un cantante per accordarle alla nota prevista nella melodia.

“Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo che distendono e comprimono lo spazio. Sono minuscole quando raggiungono la Terra, milioni di anni dopo gli eventi che le hanno generate inizialmente – ha affermato Christopher Berry, ricercatore dell’Institute for Gravitational Research dell’Università di Glasgow – “Non sono qualcosa che possiamo sentire, ma i nostri rilevatori possono convertire i segnali in forme d’onda di cui possiamo aumentare la frequenza per ascoltarli, ogni segnale che produce un cinguettio caratteristico. Quei cinguettii codificano una grande quantità di informazioni che possiamo analizzare per conoscere le loro sorgenti: le loro masse, i loro spin, la distanza e la posizione.”

Soprattutto nel caso della fusione di due buchi neri, la tecnica di calibrazione astrofisica funziona perché il caratteristico “cinguettio” o “chirp” in inglese, del segnale è descritto con estrema precisione dalla teoria della relatività generale di Einstein.

In un articolo pubblicato su “Physical Review Letters” ricercatori e ricercatrici della Collaborazione LIGO – Virgo – KAGRA (LVK) mostrano come questa tecnica è stata applicata a due segnali particolarmente intensi e interessanti GW240925 e GW25020, dove come sempre il nome del segnale indica la data delle rilevazioni, avvenute rispettivamente a settembre 2024 e febbraio 2025. Al momento dell’arrivo di entrambi questi segnali il rivelatore di LIGO Hanford (nello stato di Washington, USA) non era in condizioni ottimali, rendendo l’interpretazione dei suoi dati particolarmente difficile.
Confrontando i segnali previsti con quelli osservati, i ricercatori sono riusciti a trarre conclusioni precise su come il rilevatore LIGO di Hanford distorcesse i dati raccolti contemporaneamente dal rilevatore LIGO di Livingston, in Louisiana, e dal rilevatore Virgo, in Italia. Per GW240925, questo metodo ha confermato gli errori di calibrazione noti misurati in loco. Per GW250207, tuttavia, è stato essenziale ricorrere alla calibrazione astrofisica poiché non erano disponibili misurazioni di calibrazione affidabili in loco.

Usando la corretta calibrazione per il rivelatore di LIGO Hanford i ricercatori e le ricercatrici della Collaborazione LVK hanno scoperto che GW240925 è stato generato da buchi neri con una massa pari a 9 e 7 volte quella del Sole a una distanza di circa 350 megaparsec dalla Terra, mentre GW250207 è stato generato da due buchi neri con una massa pari a 35 e 30 volte quella del Sole a una distanza di circa 200 megaparsec dalla Terra. Senza tenere adeguatamente conto delle incertezze di calibrazione, queste stime avrebbero potuto essere distorte verso un valore non corretto.

Elisa Maggio, ricercatrice dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e precedentemente postdoc e borsista Marie Curie presso l’istituto Max Planck per la fisica gravitazionale (Albert Einstein Institute) di Potsdam, ha dichiarato: «Queste scoperte dimostrano che, nel corso del decennio di lavoro trascorso dalla prima rilevazione, abbiamo sviluppato una comprensione approfondita dell’intero nostro processo di analisi, dai segnali stessi al comportamento dei rivelatori. Nei rari casi in cui si verifichi un malfunzionamento in un rivelatore, disponiamo ora di metodi di riserva affidabili per compensare il problema e sfruttare i dati provenienti dagli altri rivelatori, in modo da ottenere risultati della massima qualità. Queste informazioni sono fondamentali per individuare le false deviazioni dalla relatività generale dovute al comportamento del rivelatore non modellizzato.».

Benoît Revenu, del laboratorio Subatech di Nantes, ha dichiarato: «È straordinario che questi imponenti eventi cosmici non solo possano essere misurati dai nostri strumenti, ma possano anche essere utilizzati per verificare le nostre misurazioni. Il fatto di aver utilizzato con successo la calibrazione astrofisica dimostra la maturità delle capacità dei rilevatori di onde gravitazionali e come stiamo passando dall’era delle prime scoperte a quella dell’astronomia di precisione basata sulle onde gravitazionali. Inoltre, il catalogo delle rilevazioni di onde gravitazionali sta crescendo sempre più rapidamente e, tra poche settimane, pubblicheremo un nuovo capitolo con nuove osservazioni che approfondiscono e ampliano ulteriormente la nostra comprensione dell’Universo e dei suoi fenomeni più violenti.»

Credits Immagine: Carl Knox, OzGrav/Swinburne