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 così possibile che qualcuno dei rivelatori in quel momento non sia al massimo delle sue potenzialità. In questi casi, è fondamentale poter agire sui dati raccolti da quel rivelatore per migliorarne la qualità. Ora la rete globale di rivelatori ha un nuovo efficiente strumento per farlo: la cosiddetta calibrazione astrofisica (astrocalibration).
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 crea un modello di come il rivelatore cambia mentre le onde 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, ossia 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), e 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 riescono a correggere le note stonate di un cantante per accordarle alla nota prevista nella melodia.
“Le onde gravitazionali sono increspature nello spaziotempo che distendono e comprimono lo spazio. Quelle che raggiungono la Terra, milioni di anni dopo gli eventi che le hanno generate inizialmente, sono minuscole”, spiega Christopher Berry, ricercatore dell’Institute for Gravitational Research dell’Università di Glasgow. “Non sono qualcosa che possiamo sentire, ma i nostri rivelatori possono convertire i segnali in forme d’onda di cui possiamo aumentare la frequenza per ascoltarli, e 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 ‘chirp’ 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 GW250207 (dove, come sempre, il nome del segnale indica la data delle rivelazioni). 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, le ricercatrici e i ricercatori sono riusciti a trarre conclusioni precise su come il rivelatore LIGO di Hanford distorcesse i dati raccolti contemporaneamente dal rivelatore LIGO di Livingston, in Louisiana, e dal rivelatore 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.
“Queste scoperte dimostrano che, nel corso del decennio di lavoro trascorso dalla prima rivelazione, abbiamo sviluppato una comprensione approfondita dell’intero nostro processo di analisi, dai segnali stessi al comportamento dei rivelatori”, sottolinea Elisa Maggio, ricercatrice dell’INFN. “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”.
“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”, commenta Benoîit Revenu, del laboratorio Subatech di Nantes. “Il fatto di aver utilizzato con successo la calibrazione astrofisica dimostra la maturità delle capacità dei rivelatori 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 rivelazioni 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”.
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