Le collaborazioni VIRGO e LIGO annunciano, nell’ambito del G7 Scienza che inizia oggi, 27 settembre, a Torino, la prima misura congiunta di onde gravitazionali da parte di tutti e tre i rivelatori. Questo risultato dimostra il potenziale scientifico della rete globale di rivelatori di onde gravitazionali, che consente una migliore localizzazione della sorgente e la misura delle polarizzazioni delle onde gravitazionali.

Un segnale di onda gravitazionale, prodotta dalla coalescenza di due buchi neri di masse stellari, è stato misurato con inedita precisione dai due rivelatori di LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), che si trovano negli Stati Uniti, a Livingston, in Louisiana, e a Hanford, nello Stato di Washington, e dal rivelatore VIRGO, che ha sede allo European Gravitational Observatory (EGO) a Cascina, vicino a Pisa, fondato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese.

L'osservazione (GW170814) dei tre rivelatori è stata registrata il 14 agosto 2017 alle 10.30.43 UTC. Le onde gravitazionali – “increspature” del “tessuto” dello spaziotempo – sono state emesse durante i momenti finali della fusione di due buchi neri, con masse rispettivamente di circa 31 e 25 volte la massa del Sole e distanti circa 1,8 miliardi di anni luce. Il buco nero così prodotto ha una massa circa 53 volte quella del nostro Sole. Ciò significa che, durante la coalescenza, circa 3 masse solari sono state convertite in energia sotto forma di onde gravitazionali.

Si tratta della quarta rivelazione di onde gravitazionali prodotte dalla fusione di un sistema binario di buchi neri. Questo nuovo evento è rilevante non solo per l’astrofisica, ma anche perché è il primo segnale di onda gravitazionale registrato dal rivelatore VIRGO, che ha recentemente completato l'aggiornamento della configurazione Advanced VIRGO.

“È stato meraviglioso vedere un primo segnale di onde gravitazionali nel nostro nuovo rivelatore, dopo solo due settimane dall’inizio della presa dati", commenta Jo van den Brand di Nikhef e VU University Amsterdam, coordinatore della collaborazione di VIRGO. “Questa è una grande ricompensa dopo tutto il lavoro svolto negli ultimi sei anni per la realizzazione del progetto Advanced VIRGO, che ha consentito di potenziare il nostro rivelatore”.

“Questo è solo l'inizio delle osservazioni con la rete globale di interferometri realizzata grazie al lavoro congiunto di VIRGO e LIGO", spiega David Shoemaker di MIT, coordinatore della collaborazione scientifica LIGO. “Con il prossimo ciclo di attività osservative, previsto per l'autunno del 2018, possiamo aspettarci rivelazioni di questo tipo ogni settimana o addirittura più spesso”.

“Questo straordinario traguardo della fisica, che oggi al G7 Scienza viene comunicato assieme dalle due collaborazioni LIGO e VIRGO, è per tutti noi motivo di grande soddisfazione”, commenta Valeria Fedeli, Ministra dell’Istruzione, Università e Ricerca. “Innanzitutto perché testimonia il valore della cooperazione scientifica internazionale, chiave di volta per affrontare le grandi sfide per il progresso della conoscenza impegnandosi in uno sforzo congiunto e coordinato per raggiungere traguardi ambizioni”. “Il risultato annunciato – prosegue Fedeli – sottolinea anche l’importanza di progettare e investire nelle grandi infrastrutture di ricerca globali, che hanno la capacità di attrarre e ottimizzare competenze e risorse su scala planetaria”. “Infine – chiude la Ministra – come rappresentante istituzionale della ricerca scientifica italiana l’annuncio di oggi è per me motivo d’orgoglio per il contributo determinante del nostro Paese, reso possibile grazie al costante lavoro delle nostre ricercatrici e dei nostri ricercatori, coordinati dall’INFN, e dalla capacità di innovare della nostra industria. Quello che agli inizi era potuto sembrare a molti un progetto visionario sta aprendo oggi una nuova epoca per lo studio del nostro universo”, conclude la Ministra.

“La prima rivelazione di un’onda gravitazionale da parte di tutti e tre gli interferometri rappresenta lo straordinario successo di un esempio virtuoso di collaborazione su scala globale”, sottolinea Fernando Ferroni, presidente dell’INFN. “E la capacità di identificare nel cielo la sorgente marca la nascita della cosiddetta astronomia multimessaggero”. “Come INFN, siamo orgogliosi di VIRGO, lo strumento che si trova in Italia, e che con il suo determinante contributo rende possibile questa nuova, grande avventura scientifica”.

L’articolo che descrive i dettagli di questa scoperta è stato accettato per la pubblicazione dalla rivista Physical Review Letters (https://dcc.ligo.org/P170814 e https://tds.virgo-gw.eu/GW170814) e apparirà domani su arXiv.

La rete globale per la ricerca di GW

Il rivelatore VIRGO si è unito alla rete di interferometri gravitazionali nel secondo ciclo di osservazione, chiamato Run (O2), il 1° agosto 2017 alle ore 10:00, dopo aver ultimato il programma di aggiornamento pluriennale di Advanced VIRGO, e dopo mesi di intenso lavoro di commissioning: tutto ciò ha consentito di migliorare notevolmente la sua sensibilità. La rivelazione in tempo reale è stata così realizzata con i dati di tutti e tre gli strumenti LIGO e VIRGO. La collaborazione tra LIGO e VIRGO è maturata nell'ultimo decennio. Meeting congiunti delle collaborazioni e analisi comuni dei dati hanno portato le due comunità a lavorare come un’unica grande collaborazione globale, realizzando l’idea di un unico grande strumento, lanciata da Adalberto Giazotto, fisico dell’INFN e “padre” di VIRGO: “Nel 2001 avevo proposto di realizzare una rete mondiale di interferometri e di utilizzarli come una single machine”, ricorda Giazotto. “Oggi questo sogno si è realizzato e sono convinto che le scoperte che faremo da qui in avanti lasceranno un’impronta profonda nella fisica” conclude Giazotto. La pianificazione coordinata dei periodi di attività, con tutti i rivelatori operativi, è importante per estrarre la massima quantità di informazione dai dati, e soprattutto consentire una inedita precisione nella localizzazione delle sorgenti delle onde gravitazionali: questo rappresenta una grande promessa per il futuro dell'astronomia multimessaggera.

“Oggi è stato raggiunto uno splendido obiettivo: il passaggio dalla fase di scoperta delle onde gravitazionali a quella dell'astronomia gravitazionale, che si inserisce a pieno diritto nell’astronomia dei vari messaggeri cosmici”, commenta Antonio Masiero, vicepresidente dell’INFN e presidente di ApPEC, il consorzio che coordina la ricerca europea in fisica delle astroparticelle. “Ciò è stato reso possibile grazie al cruciale ‘aggancio’ di VIRGO ai due interferometri americani LIGO con la conseguente creazione di un primo esempio di grande infrastruttura di ricerca globale”, conclude Masiero.

Altri risultati, sulla base dei dati raccolti dalla rete di tre rivelatori, saranno annunciati nel prossimo futuro dalla collaborazione di LIGO-VIRGO: l'analisi dei dati è attualmente in corso e sarà presto completata.

Localizzazione

Nel complesso, il volume di universo che può includere la sorgente si riduce di più di un fattore 20, quando si passa da una osservazione con due interferometri a una misura realizzata con una rete di tre rivelatori. È stato così possibile restringere la regione del cielo che contiene l’evento GW170814 a dimensioni di soli 60 gradi quadrati: una localizzazione più di 10 volte migliore rispetto a quella realizzabile con i due interferometri LIGO da soli. Inoltre, anche l'accuratezza con cui viene misurata la distanza della sorgente beneficia della presenza di VIRGO. Essere in grado di indicare un volume più ristretto è importante poiché molte fusioni di oggetti compatti - ad esempio quando sono coinvolte stelle di neutroni - si prevede producano, oltre alle onde gravitazionali, emissioni elettromagnetiche a larga banda. Una precisa localizzazione consente, quindi, di allertare gli altri strumenti, telescopi sia a terra sia nello spazio, e dare indicazioni su dove orientarsi per osservare altre eventuali emissioni di tipo elettromagnetico: realizzando così un nuovo tipo di astronomia, la cosiddetta astronomia multimessaggero. Nell’evento GW170814, le informazioni di puntamento di precisione hanno dunque permesso a 25 strumenti di rivelazione di eseguire osservazioni di follow-up basate sulla rivelazione di LIGO-VIRGO ma, in questo caso, nessuna controparte elettromagnetica è stata identificata, confermando così quanto previsto per i buchi neri.

Polarizzazione

VIRGO non risponde allo stesso modo dei rivelatori LIGO al passare delle onde gravitazionali, perché ha una diversa collocazione e orientazione sulla Terra: questo implica che si può testare un'altra previsione della relatività generale, che riguarda le polarizzazioni delle onde gravitazionali. La polarizzazione descrive come lo spaziotempo viene distorto nelle tre diverse direzioni spaziali di propagazione di un'onda gravitazionale. I primi test, basati sull'evento GW170814, mettono alla prova casi estremi: da un lato, le polarizzazioni consentite dalla relatività generale, e dall’altro, le polarizzazioni proibite dalla teoria di Einstein. L'analisi dei dati dimostra che la previsione di Einstein è fortemente favorita. “Questo risultato premia la professionalità e la perseveranza di una collaborazione internazionale alla quale l’Italia ha dato un grande contributo”, commenta Gianluca Gemme, responsabile nazionale di VIRGO per l’INFN. “Dagli anni ’70 del secolo scorso la scuola italiana è stata all’avanguardia a livello mondiale nella ricerca sperimentale delle onde gravitazionali, guidata da figure di riferimento come Edoardo Amaldi, Guido Pizzella e Adalberto Giazotto, e oggi rappresentata da centinaia di fisici, ingegneri e tecnici dell’INFN e di molte Università italiane. Questa comunità raccoglie oggi i frutti di un lavoro cominciato quarant’anni fa dal quale ci aspettiamo altri importanti risultati”, conclude Gemme.

Advanced VIRGO

È lo strumento di seconda generazione per la ricerca di onde gravitazionali, costruito e gestito dalla collaborazione VIRGO. “Questa rivelazione è una pietra miliare per tutte le persone che hanno dedicato il loro tempo e il loro lavoro a concepire, realizzare e operare VIRGO e Advanced VIRGO, in particolare Adalberto Giazotto e Alain Brillet”, commenta Giovanni Losurdo, ricercatore dell'INFN, che ha coordinato il progetto Advanced VIRGO. “L'intera impresa, fin dal suo inizio, - prosegue Losurdo - si è basata su un obiettivo visionario: la creazione di una rete di interferometri in grado di localizzare le fonti nel cielo, e di avviare l'era dell’astronomia multimessaggero per lo studio dell'universo. E finalmente, oggi, dopo decenni di lavoro, siamo arrivati a questo straordinario risultato”. Il primo disegno di Advanced VIRGO è stato presentato 10 anni fa, quando il primo rivelatore VIRGO stava prendendo i suoi primi dati. Le agenzie finanziatrici che hanno fondato il progetto VIRGO, INFN e CNRS, hanno approvato il progetto nel dicembre 2009. Poi, al termine delle osservazioni con il primo rivelatore VIRGO, nell'ottobre 2011, sono iniziati i lavori per la realizzazione del rivelatore Advanced VIRGO.

La nuova struttura è stata inaugurata nel febbraio 2017, mentre era già in corso la fase di commissioning della macchina. Il controllo del rivelatore al punto nominale è stato raggiunto per la prima volta in marzo. Durante i mesi successivi, la sensibilità dello strumento è andata migliorando in modo significativo, grazie a un'ampia campagna di “caccia” al rumore di fondo, che inquina il segnale. Una volta che la sensibilità raggiunta da Advanced VIRGO ha permesso di sondare un volume di universo oltre dieci volte maggiore rispetto al primo rivelatore di VIRGO, il 1° agosto, Advanced VIRGO si è ufficialmente unito ai due rivelatori LIGO per le ultime quattro settimane del periodo di acquisizione dati Run (O2). “L'aggiornamento di VIRGO alla configurazione Advanced ha avuto un obiettivo ambizioso: migliorare notevolmente la sensibilità del nostro rivelatore, al fine di massimizzare la probabilità di rivelare i segnali di onde gravitazionali", spiega Federico Ferrini, direttore di EGO. “Raggiungere un livello di prestazioni che consentisse di realizzare una rete di tre rivelatori ha richiesto molti anni di intenso lavoro e una grande spinta all’innovazione”. “Ora che VIRGO ha osservato il suo primo evento di onda gravitazionale, desidero rendere il giusto merito alla dedizione dei membri della collaborazione VIRGO, del personale di EGO e delle istituzioni e dei laboratori che vi partecipano”, conclude Ferrini.

La collaborazione VIRGO

Progetto nato dall’originale idea dell’italiano Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet, VIRGO conta più di 280 fisici e ingegneri appartenenti a 20 diversi gruppi di ricerca europei: otto dell’INFN in Italia; sei del CNRS in Francia; due nei Paesi Bassi con Nikhef; il MTA Wigner RCP in Ungheria; il gruppo POLGRAW in Polonia; l'Università di Valencia in Spagna ed EGO, il laboratorio che ospita ed è responsabile del funzionamento del rivelatore VIRGO in Italia. L’Italia partecipa con le Sezioni INFN di Firenze, Genova, Milano Bicocca (gruppo collegato Parma), Napoli, Padova, Perugia, Pisa, Roma 1, Roma 2, TIFPA, e con le Università di Camerino, Genova, Gran Sasso Science Institute (GSSI), Napoli Federico II, Padova, Parma, Perugia, Pisa, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata, Salerno, Siena, Trento, Urbino.

Advanced LIGO

È un rivelatore di onde gravitazionali di seconda generazione costituito da due interferometri identici situati a Hanford e Livingston, negli Stati Uniti. Utilizza l'interferometria laser di precisione simile ad Advanced VIRGO per rivelare onde gravitazionali. A partire dal settembre del 2015, Advanced LIGO ha condotto due cicli di osservazione. Il secondo periodo di attività osservativa Run (O2) è iniziata il 30 novembre 2016 e si è conclusa il 25 agosto 2017. “Con questa prima rivelazione congiunta dai rivelatori avanzati LIGO e VIRGO, - commenta David Reitze di Caltech, direttore esecutivo del Laboratorio LIGO, che ha costruito e gestisce gli osservatori LIGO - abbiamo compiuto un passo avanti nell’universo delle onde gravitazionali”. “VIRGO porta una nuova e potente capacità di individuare e meglio individuare le sorgenti delle onde gravitazionali, fatto che senza dubbio porterà a risultati emozionanti e imprevisti nel futuro”, conclude Reitze.

LIGO

È finanziato dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, è gestito da Caltech e MIT, che hanno ideato e realizzato il progetto. Il sostegno finanziario per il progetto Advanced LIGO è stato sostenuto dalla NSF, assieme a Germania (Max Planck Society), Regno Unito (Science and Technology Facilities Council STFC) e Australia (Australian Research Council), che hanno dato importanti contributi. Più di 1200 scienziati provenienti da tutto il mondo partecipano all’impresa scientifica attraverso la collaborazione scientifica LIGO, che include le collaborazioni GEO e OzGrav. Altri partner sono elencati all'indirizzo http://ligo.org/partners.php.