GW170814:OSSERVAZIONEDELLEONDEGRAVITAZIONALIDALLACOALESCENZADIDUEBUCHINERICONTRERIVELATORI

L’evento GW170814 è la quarta osservazione confermata di ondegravitazionaliriportatadallecollaborazioniscienPficheLIGOeVirgodallacoalescenzadiduebuchineri,eilprimosegnalediquestoPpoosservatodal rivelatore Advanced Virgo. Questa rivelazione mostra le miglioricapacità di una rete globale di tre rivelatori (i due rivelatoriAdvancedLIGO più Advanced Virgo), in parPcolare nel localizzare nel cielo lasorgente di onde gravitazionali e nel testare la teoria della relaPvitàgenerale. GW170814 segna quindi una importante svolta nel nuovocampodell’astronomiadelleondegravitazionali.

INTRODUZIONEIlprimoagosto2017ilrivelatoreAdvancedVirgosièunitoadAdvancedLIGOperil secondociclodi osservazione (‘O2’), che è duratodal30novembre 2016finoal25 agosto 2017. Il 14 agosto 2017, alle 10:30:43 UTC, un segnale transiente dionde gravitazionali, ora idenPficato come GW170814, è stato rivelato da unprogramma automaPzzatoche analizza idaPregistraPdaitre rivelatori Advanced.Il segnale era consistente con le fasi finali della coalescenza di due buchi neri dimasse stellari; successive analisi che hanno uPlizzato tu`e le informazionidisponibili dai tre rivelatori hanno mostrato una chiara evidenza del segnaleanche nel rivelatore Advanced Virgo. Ciò rende GW170814 il primo eventoconfermatodiondegravitazionalicheèstatoosservatodatrerivelatori.

RIVELATORIEQUALITA’DEIDATI

Figura 1: Questa figura(che è la Figura2 nella nostrapubblicazione)confrontala sensibilità(indicatacome ‘Strain’ sull’asseverPcale)dei trerivelatori in funzionedella frequenza(inHertz, sull’asseorizzontale).Danotare che entrambi gli assi sono in scala logaritmica. A una datafrequenza, più bassa è la sensibilità sul grafico, più deboleè il segnalecheè possibile rivelare. La curvablu rappresenta la sensibilità di LIGOLivingston,larossaquelladiLIGOHanfordelavioladiVirgo.

FIGURES FROM THE PUBLICATIONFormoreinformaPononthemeaningofthesefigures,

seethefullpublicaPonavailablehere.

Irivelatori LIGOe Virgosonointerferometri di MichelsongiganPconbracci lunghirispedvamente 4km e 3km. I rivelatori LIGO si trovanonegli StaP UniPmentreVirgo si trova in Italia: a Cascina, vicino Pisa. QuesP tre rivelatori sono staPconcepiP negli anni ‘90, costruiP a`ornoal 2000e operaPvi – insieme a GEO600situato in Germania – nel decennio successivo in una configurazione iniziale.Successivamente sono staP ogge`o di un programma di miglioramentopluriennale volto a migliorarne la sensibilità di circa un fa`ore 10 (e quindi adaumentare il volume dell’Universo accessibile per una data sorgente di un fa`ore1000).

Per LIGO, questo programma è cominciato nel 2010 ed è stato completato nel2015consentendoil primociclodi osservazione (O1) a parPre dal se`embre dellostesso anno. La prima rivelazione di onde gravitazionali è avvenuta pochi giornidopo l’inizio della presa daP a cui sono seguite altre due nel dicembre 2015 egennaio2017(inO2).

Il programma diaggiornamentodiVirgoè cominciatounannopiùtardi, nel 2011.L’interoapparato– dagli specchi e gli apparaPdavuoto ai fotodiodi che rivelanoifasci laser - è stato migliorato e, dopoun anno di lavori, il nuovo rivelatore si èunito adO2 il primo agosto2017. Irivelatori LIGO e Virgo, pur usando lo stessometodo (l’interferometria) per rivelare le onde gravitazionali e pur condividendomolte cara`erisPche incomune, sonostaPcostruiPevengonooperaPinmododeltu`oindipendente.

InFigura1vienemostratounconfrontotra le Ppiche curve disensibilità raggiuntedai tre rivelatori vicinoal tempodi GW170814. IdaP sono staPpuliP uPlizzandosorgenP di rumore che contaminano la sensibilità in modo noto1.Estesi controllisullostatoambientale e dei rivelatori intud e tre i siPnonhannomostratoalcunproblema.1. LostessoprincipioèuPlizzatodallecuffieacancellazionedirumorechemonitoranol’ambientecircostantea`raversodeisensorisuldisposiPvoeinvianoalle

orecchieunsegnale“opposto”.

Veduta aerea del rivelatore di onde gravitazionali Virgo, situato aCascina, vicino Pisa. Virgo è un interferometro di Michelson gigantecon bracci lunghi 3km. (Immagine: NicolaBaldocchi / CollaborazioneVirgo)

Il segnale di GW170814 è stato quindi osservato conun’elevata confidenza entro 30secondi dal suoarrivo; èstata quindi generata un’allertae inviataaivari telescopiche collaborano con LIGO-Virgo. A questo punto, laconfidenza della possibile rivelazione è stata calcolataconmaggiore accuratezzauPlizzatocirca sei giornididaPincoincidenza di LIGOeunaprocedura simile aquellegiàuPlizzate per gli evenP passaP – consentendo il calcolodella probabilità di falso allarme dell’evento, ovveroquanto sarebbe necessario a`endere affinchéflu`uazioni di rumore nei due rivelatori possanoconcorrere a produrre un segnale apparente intensoalmenoquantoquello osservato.Per GW170814, questaprobabilità di falso allarme è inferiore a 1 ogni 27000anni,rendendoquestarivelazionedavverosolida.

Anche Virgo ha visto questo evento di ondegravitazionali, come dimostrato da due analisiindipendenP. La prima, basata sul filtro ada`ato,confronta due modelli: uno assumendo GW170814presente in tud e tre i rivelatori (cioè includendoancheVirgo)e la seconda assumentoil segnalepresentesoloinLIGO più solo rumore in Virgo. Le nostre analisi hannomostrato che il primo modello era 1600 volte piùprobabile del secondo. Il secondometodo cerca segnalinon modellaP di onde gravitazionali con una frequenzache aumenta nel tempo– cioè come il segnale di chirpprodo`o dalla fusione di due ogged compad – masenza assumere quella parPcolare forma d’onda.Questaanalisinonè odmale per la fusione di buchi nerima puòrivelare altri Ppi di segnale ed effe`ua un’analisicoerente sulla rete di rivelatori consentendo diricostruire il segnale gravitazionale. Inoltre, per tu`e lerivelazioni confermate fino ad ora, le forme d’ondaricostruite sono in accordo con il modello per sistemibinaridibuchineri.

Per GW170814sonostateconfrontate dueanalisi coerenPdiquestoPpo:una uPlizzandosoloidue rivelatoriLIGO, l’altra uPlizzandol’interaretedi tre rivelatori.Di nuovo, l’intensità del segnale ricostruitopuòessere converPta inunaprobabilità difalsoallarmeuPlizzandola verosimiglianzadelle flu`uazioni indipendenPdi rumore che potrebberoprodurre unsegnale diquell’intensità.UPlizzandosolodue rivelatori, il falsoallarme eradi circa1ogni 300anni;conl’intera rete si è rido`oamenodi 1ogni 5700anni.Quindi, la rivelazione sutre rivelatori è favorita rispe`oa quellasudue.LaFigura2mostratrediversimodiperguardareaidaPregistraPdaitreinterferometrialmomentodell’eventoGW170814.

LOCALIZZAZIONEDELLASORGENTEDIGW170814La localizzazione di una sorgente nel cielopuòessere sPmata uPlizzando le differenze dei tempi di arrivodel segnale neivari rivelatoridella reteglobale.Questedifferenzesonodovute alvalorefinitodella velocitàdella luce – peresempio, 10msperIduerivelatori LIGOche si trovanoa3000kmdidistanza.Assumendoche i tempi arrivosiano conosciuP conesa`ezza, ogni differenza di temposarà associata aduncerchionel cielocheindica le posizioni con cui è consistente. Con una rete di tre rivelatori, si possonoo`enere tre differenze in tempo e quindi tre cerchi che siintersecanoinduepunP2.

Inrealtà, itempidiarrivohannodelle incertezze, ciòvuoldire che queicerchi sitrasformandoindellebandeche copronounaregionedel cielopiùomenoampia quandosi intersecano.Per capire megliosi puòricordare che unrivelatore interferometricodionde gravitazionaliè piùsimileaunmicrofono che a un telescopio, nel sensoche può essere sensibile a segnali provenienP da piùdirezioni, anche se con qualche limitazione: peresempio, un’onda gravitazionale proveniente esa`amente sopra (oso`o) il piano contenente i bracci dello strumentosarà osservatomeglio– alcontrario lo stesso segnale proveniente dalla bise`rice dei bracci sarebbe completamente invisibile. In generale, più alta è la sorgentesull’orizzonte, migliore è la risposta del rivelatore. Inoltre, ogni rivelatore ha qua`ropunP ciechi, tud situaP sul piano dei bracci.Se un’ondagravitazionale non è rivelata da uno degli strumenP che in principio è abbastanza sensibile per vederlo, vuol dire che il segnale veniva dalladirezionediunodiqueipunPciechi.waveisnotdetectedbyaninstrumentwhichisinprinciplesensiPveenoughtoseeit,

OSSERVAZIONEDIGW170814L’idenPfcazione di unnuovosegnale transiente di onde gravitazionali richiedediverse fasi.PerGW170814ilprimopassoèconsisPtonell’uPlizzarele cosidde`e pipeline low-latency subito dopo l’acquisizione dei daP uPlizzando la tecnica del filtro ada`ato per cercare dei trigger (cioè deicandidaP)coincidenPneitrerivelatori.

2. Con qua`ro o più rivelatori, tud i cerchi si intersecano in un singolo punto. Questo è il moPvo per cui aggiungere un quarto interferometro (KAGRA inGiappone)alla finedi questa decadee un quinto (LIGO India)qualche anno più tardimiglioreràancora di più la possibilitàdi localizzareilsegnale dallareteglobaledirivelatori.

Figura2:(Figura1nellapubblicazione)

In alto: Rapporto segnale rumore in funzione del tempo; I picchi sono leggermente disallineaP intempo in quanto l’ondagravitazionale viaggia alla velocitàdella luce che è grandema non infinita.Quindi il segnalenonraggiungeI diversi rivelatori allo stessomomento. GW170814 èarrivatoprimainLIGO-Livingston,8msdopoinLIGO-Hanfordedopoaltri6msinVirgo.In mezzo: rappresentazione tempo-frequenza dei daP: più un pixel è brillante in ognuna di questemappe2D,piùintensoèilsegnaleaquelparPcolaretempoefrequenzarispe`oalrumore.In basso: serie temporali con le migliori forme d’onda selezionatedal filtro ada`ato (curve nere) ericerchechenonuPlizzanomodelli.

La figura 3riassume la localizzazione della sorgente di GW170814nel cielo fornita dalle analisi successive:localizzazione rapida soloconi rivelatoriLIGO inblu;conaggiuntadiVirgoinarancione;sPmacompletadeiparametri inverde.La retedirivelatoripuòanche fornireuna sPmadella distanzadella sorgente come mostrato dal grafico a destra in Figura 3.La localizzazione della sorgente è essere effe`uata in tre dimensioni. Nei casi piùfavorevoli, il volume più probabile potrebbe contenere solo un numero limitato di galassie, semplificando quindi la ricerca per una contropartevisibile coni telescopi.Per GW170814,25telescopi hannoprovatoadosservare la sorgentema nessuna parte ele`romagnePcaè stata trovata.Adognimodo,nessunaltroPpodiemissione,oltrealleondegravitazionali,èprevistoperlafusionedisistemibinaridibuchineri.

MISURADEIPARAMETRIDIGW170814Un’accurata sPma dei parametri di GW170814è stata fornita dagli stessi metodi dianalisi già uPlizzaP per le precedenP rivelazioni – ovvero confrontando i segnalirivelaP con due famiglie di modelli di forme d’onda indipendenP, le cuicara`erisPche dipendono dai parametri che si vogliono misurare. Migliore è lacorrispondenza tra la forma d’onda generata per un dato set di parametri e ilsegnale,piùvicinisonoiparametriailorovaloriveri.

I de`agli di come sono staP misuraP i parametri di GW170814 possono esseretrovaP nella nostra pubblicazione o nel foglio informaPvodell’evento.Per esempio,laFigura4mostrailimiPsullemassedelbuchineriiniziali.

Figura 4: (pannello superiore della Figura 4 dalla nostrapubblicazione):misuradellemasse iniziali(inunitàdimassesolari)deidue buchi neri di GW170814. La sPmadellemasse è stata effe`uatasimultaneamente, i limiP sulle masse sonomostraPnelpiano m2 vs.m1(doveadodamolaconvenzionechem2<=m1):più scuro il colore,maggiore è la probabilità che le masse siano uguali a quelle dellacoppia di valori (m1, m2 ). I contorni neri mostrano le regionirispedvamenteal 50%e90%diconfidenza. In più, vengono mostrateledistribuzioni di probabilitàperlemasseindividualidei buchineri suentrambigli assi. Le masse piùprobabili peri duebuchi neri sono 30 e25massesolaririspedvamente.

TESTDELLARELATIVITA’GENERALECONGW170814Come nelle precedenP rivelazioni, per GW170814 abbiamo effe`uato test dellarelaPvità generale simili a quelli già effe`uaP per gli evenP scorsi. I risultaP sonoconsistenPconle previsioni teoriche della teoria diEinsteine simili a quelli già o`enuPinprecedenza.Analisipiùapprofonditesarannoaffrontateinpubblicazionifuture.

UPlizzare una rete dirivelatori chehannoorientamenPdei bracci differenP(idue LIGOsono quasi allineaP tra di loro ma non Virgo) perme`e anche uno studio dellapolarizzazione delle onde gravitazionali – ovvero come deformano lospazio-tempo alloropassaggio.

Figura3:Localizzazionenel cielodiGW170814. Lapartesinistradellafiguraconfronta leregionidicieloselezionatedaanalisidifferenPcome lepiù probabili percontenerelasorgente di GW170814.Queste sonochiamate regionial90%diconfidenzain quantosono definite dal90%diprobabilitàchelasorgentesitrovial lorointerno. L’areablu corrispondealla localizzazione rapida basata sui daP dei dueinterferometri LIGO. AggiungendoVirgo si ha l’area arancione, che è più di un ordine di grandezzapiùpiccola:100 gradi quadraP contro1160. Infine, laregioneverdeè ilrisultato dellasPmadei parametri dall’analisicompleta;un’areadi 60gradi quadraPusando tude tre irivelatori,daconfrontareconi700gradiquadraPo`enuPuPlizzandosoloidueinterferometriLIGO.PerlasPmadeiparametri.

La parte destradellafigura confronta le distribuzioni di probabilità per la distanza di luminositàdella sorgente. Aggiungendo Virgo vengono tagliate fuori le codedelladistribuzionechecorrispondonoalledistanzemaggiori,trovandoladistanzapiùprobabiledellasorgentecheè540Mpc.

La relaPvità generale prevede che, le onde gravitazionali sianoonde trasversali, questo vuol dire che allungano e comprimono lospazion-tempo nel piano perpendicolare alla loro direzione dipropagazione. Le deformazioni permesse sono solo di due Ppi(‘polarizzazioni’), chiamate ‘+’ (‘plus’) e ‘x’ (‘cross’). Il loro effe`osuunanellodiparPcelleèmostratoneipannelli(a)e(b)diFgura5.

MatemaPcamente parlando, una generica teoria metrica dellagravitazionepuòperme`erefinoaseidiversi Ppidipolarizzazione.Ogni stato aggiunPvo di polarizzazione andrebbe a deformare lospazio-tempo in un modo diverso, cambiando la risposta delrivelatore al segnale. Questo comportamento potrebbe essererivelato confrontando il segnale in due strumenP non paralleli,possibili differenze infad potrebbero non essere spiegabili dallarelaPvitàgenerale.

Unprimotest della polarizzazione delle onde gravitazionali è statocondo`o coni daPdi GW170814.In parPcolare, l’intera sPma deiparametri descri`a sopra è stata effe`uata una seconda volta –questa volta perme`endo polarizzazioni proibite in relaPvitàgenerale. Tu`e le polarizzazioni alternaPve provate sono risultateessere sfavorite daquestaanalisi, indicandodinuovocome idaPdiGW170814sianoconsistenPconlateoriadiEinstein.

CONCLUSIONIGW170814 è la quarta coalescenza di buchi neri in unsistemabinarioconfermatadallacollaborazioneLIGO-Virgo.I buchi neri osservaP sono simili a quelli del primo(GW150914)eterzo(GW170104)eventoesonoconsistenPconidaPsullapopolazione e sullafrequenzadiquestoPpodievenPdedo`odalleprecedenPosservazioni.

Quello che rende questo evento abbastanza unico è chequesta è la prima rivelazione effe`uata da tre rivelatori: idue rivelatoriLIGOe daVirgo. Una reteditre rivelatorihaun enorme potenziale scienPfico come dimostrato daGW170814 grazie ad grazie al miglioramento dellalocalizzazione della sorgente (distanza e coordinate nelcielo)e da una migliore possibilitàdipoter effe`uare testsulla relaPvitàgenerale.Con la terza sessione dipresadaPdi LIGO-Virgo, ‘O3’, in programma tra circa un anno nel2018, le prospedve per l’astronomia delle ondegravitazionalisonoestremamenterosee.

GLOSSARIO• Buco Nero: Una regione dello spazio tempo creata da un

ogge`o estremamente compa`o dove la gravità è talmentefortechenullapuòuscirne,nemmenolaluce.

• Formad’ondagravitazionale: Unacurvachedescrive come laperturbazione causata dall’onda gravitazionale varia neltempo.

• Rumore: Flu`uazione nella misura del segnale dell’ondagravitazionale causato da vari effed sia strumentali cheambientali. Lasensibilitàdi un rivelatoredi ondegravitazionalièlimitatadalrumore.

Figura 5: Rappresentazione delle sei polarizzazioni permesse nelle teorie“metriche” generali. I pannelli (a)e (b)mostranorispedvamente lepolarizzazioni‘+’ e ‘x’ permesse dalla RelaPvità Generale. In quesP due casi la deformazionedello spazio tempo è sul piano perpendicolare alla direzione di propagazionedell’onda gravitazionale (perpendicolare allapagina): un anellodi parPcelle vieneallungato in una direzione mentre è compresso nella direzione perpendicolare eviceversa. Nei pannelli da (c) a (f)vengonomostrate polarizzazioni non ammessedalla RelaPvitàGenerale. Nelpannello (c)è ancorauna polarizzazionetrasversale,mentreneipannellida(d)a (f)vengono illustratedeformazioni chesipropagano inuna direzione (mostrata dalla freccia) che si trova sullo stesso piano delladeformazione spazio-temporale. (CrediP: Clifford Will – Living Rewievs inRelaPvity).

• PresadaP: Un periodo di osservazioneincuiirivelatori prendonodaP.

• Sensibilità: una descrizione della capacità del rivelatore dirivelare un segnale. I rivelatori con rumore più basso possonorivelare segnalipiùdeboli e quindi si dicono avereunamaggioresensibilità.

• Strain: La variazione percentuale nella distanza tra due punP diriferimentodovutaalladeformazione dellospazio-tempo causatadalpassaggiodiun’ondagravitazionale.

VisitainostrisiPweb:h`p://www.ligo.org

h`p://www.virgo-gw.eu

E’possibilileggerel’arPcolocompleto,acce`atoperlapubblicazioneinPhysicalReviewLe>ersqui.