Il rilevatore di onde gravitazionali LIGO è finalmente tornato online con entusiasmanti aggiornamenti per renderlo più sensibile

Dopo una pausa di tre anni, gli scienziati negli Stati Uniti hanno appena attivato rilevatori capaci di misurare le onde gravitazionali- piccole increspature spazio stesso che viaggia attraverso l'universo.

A differenza delle onde luminose, le onde gravitazionali sono quasi senza ostacoli da galassie, stelle, gas e polvere che riempiono l'universo. Ciò significa che misurando le onde gravitazionali, astrofisici come me può sbirciare direttamente nel cuore di alcuni dei fenomeni più spettacolari dell'universo.

Dal 2020, il Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory, comunemente noto come LIGO- è rimasto inattivo mentre ha subito alcuni entusiasmanti aggiornamenti. Questi miglioramenti lo faranno aumentare notevolmente la sensibilità di LIGO e dovrebbe consentire alla struttura di osservare oggetti più distanti che producono increspature più piccole spazio tempo.

Rilevando più eventi che creano onde gravitazionali, ci saranno più opportunità per gli astronomi di osservare anche la luce prodotta da quegli stessi eventi. Vedere un evento attraverso molteplici canali di informazione, un approccio chiamato astronomia multi-messaggero, fornisce gli astronomi opportunità rare e ambite per conoscere la fisica ben oltre il regno di qualsiasi test di laboratorio.

Increspature nello spaziotempo

Secondo La teoria della relatività generale di Einstein, massa ed energia deformano la forma dello spazio e del tempo. La flessione dello spaziotempo determina il modo in cui gli oggetti si muovono l'uno rispetto all'altro, ciò che le persone sperimentano come gravità.

Le onde gravitazionali vengono create quando oggetti massicci come buchi neri o stelle di neutroni si fondono tra loro, producendo improvvisi, grandi cambiamenti nello spazio. Il processo di deformazione e flessione dello spazio invia increspature nell'universo come un... onda attraverso uno stagno tranquillo. Queste onde viaggiano in tutte le direzioni da una perturbazione, piegando minuziosamente lo spazio mentre lo fanno e modificando leggermente la distanza tra gli oggetti sul loro cammino.

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Anche se gli eventi astronomici che producono le onde gravitazionali coinvolgono alcuni degli oggetti più massicci dell'universo, l'allungamento e la contrazione dello spazio sono infinitamente piccoli. Una forte onda gravitazionale che passa attraverso la Via Lattea può cambiare solo il diametro dell'intera galassia di tre piedi (un metro).

Le prime osservazioni sulle onde gravitazionali

Sebbene previsto per la prima volta da Einstein nel 1916, gli scienziati di quell'epoca avevano poche speranze di misurare i minuscoli cambiamenti di distanza postulati dalla teoria delle onde gravitazionali.

Intorno all'anno 2000, gli scienziati del Caltech, del Massachusetts Institute of Technology e di altre università di tutto il mondo hanno terminato di costruire quello che è essenzialmente il righello più preciso mai costruito:LIGO.

LIGO è composto da due osservatori separati, con uno situato a Hanford, Washington, e l'altro a Livingston, Louisiana. Ogni osservatorio ha la forma di una L gigante con due bracci lunghi 2.5 miglia (quattro chilometri) che si estendono dal centro della struttura a 90 gradi l'uno rispetto all'altro.

Per misurare le onde gravitazionali, i ricercatori puntano un laser dal centro della struttura alla base della L. Lì, il laser viene diviso in modo che un raggio viaggi lungo ciascun braccio, si rifletta su uno specchio e ritorni alla base. Se un'onda gravitazionale passa attraverso i bracci mentre il laser sta brillando, i due raggi torneranno al centro in momenti sempre leggermente diversi. Misurando questa differenza, i fisici possono discernere che un'onda gravitazionale è passata attraverso la struttura.

LIGO ha iniziato a funzionare nei primi anni 2000, ma non era abbastanza sensibile per rilevare le onde gravitazionali. Così, nel 2010, il team di LIGO ha temporaneamente chiuso la struttura per esibirsi aggiornamenti per aumentare la sensibilità. La versione aggiornata di LIGO è iniziata raccolta dati nel 2015 e quasi immediatamente onde gravitazionali rilevate prodotto dalla fusione di due buchi neri.

Dal 2015 LIGO è stato completato tre sessioni di osservazione. Il primo, run O1, è durato circa quattro mesi; il secondo, O2, circa nove mesi; e il terzo, O3, è durato 11 mesi prima che la pandemia di COVID-19 costringesse le strutture a chiudere. A partire dalla corsa O2, LIGO ha osservato congiuntamente con an osservatorio italiano chiamato Virgo.

Tra una serie e l'altra, gli scienziati hanno migliorato i componenti fisici dei rilevatori ei metodi di analisi dei dati. Entro la fine della corsa O3 nel marzo 2020, i ricercatori della collaborazione LIGO e Virgo avevano rilevato circa 90 onde gravitazionali dalla fusione di buchi neri e stelle di neutroni.

Gli osservatori hanno ancora non hanno ancora raggiunto la loro massima sensibilità progettuale. Quindi, nel 2020, entrambi gli osservatori sono stati chiusi per aggiornamenti ancora una volta.

Effettuare alcuni aggiornamenti

Gli scienziati hanno lavorato su molti miglioramenti tecnologici.

Un aggiornamento particolarmente promettente ha comportato l'aggiunta di un elicottero da 1,000 piedi (300 metri) cavità ottica migliorare A tecnica chiamata spremitura. La compressione consente agli scienziati di ridurre il rumore del rivelatore utilizzando le proprietà quantistiche della luce. Con questo aggiornamento, il team di LIGO dovrebbe essere in grado di rilevare onde gravitazionali molto più deboli rispetto a prima.

Io e i miei compagni di squadra sono data scientist nella collaborazione LIGO e abbiamo lavorato su una serie di diversi aggiornamenti a software utilizzato per elaborare i dati LIGO e gli algoritmi che riconoscono segni di onde gravitazionali in quei dati. Questi algoritmi funzionano cercando modelli che corrispondono modelli teorici di milioni di possibili eventi di fusione tra buchi neri e stelle di neutroni. L'algoritmo migliorato dovrebbe essere in grado di individuare più facilmente i deboli segni delle onde gravitazionali dal rumore di fondo nei dati rispetto alle versioni precedenti degli algoritmi.

Un'era dell'astronomia ad alta definizione

All'inizio di maggio 2023, LIGO ha iniziato un breve test, chiamato engineering run, per assicurarsi che tutto funzionasse. Il 18 maggio, LIGO ha rilevato probabili onde gravitazionali prodotto da una stella di neutroni che si fonde in un buco nero.

La corsa di osservazione di 20 mesi di LIGO 04 ufficialmente iniziato il 24 maggio, e in seguito sarà affiancato da Virgo e da un nuovo osservatorio giapponese: il Kamioka Gravitational Wave Detector, o KAGRA.

Sebbene ci siano molti obiettivi scientifici per questa corsa, c'è un'attenzione particolare alla rilevazione e alla localizzazione delle onde gravitazionali in tempo reale. Se il team è in grado di identificare un evento di onde gravitazionali, capire da dove provengono le onde e avvisare rapidamente altri astronomi di queste scoperte, consentirebbe agli astronomi di puntare altri telescopi che raccolgono luce visibile, onde radio o altri tipi di dati alla fonte dell'onda gravitazionale. Raccolta di più canali di informazioni su un singolo evento—astrofisica multi-messaggero— è come aggiungere colore e suono a un film muto in bianco e nero e può fornire una comprensione molto più profonda dei fenomeni astrofisici.

Gli astronomi hanno osservato un solo evento sia nelle onde gravitazionali che nella luce visibile fino ad oggi - la fusione di due stelle di neutroni viste nel 2017. Ma da questo singolo evento, i fisici sono stati in grado di studiare il espansione dell'universo e confermare l'origine di alcuni dei gli eventi più energetici dell'universo conosciuto come lampi di raggi gamma.

Con la corsa O4, gli astronomi avranno accesso agli osservatori di onde gravitazionali più sensibili della storia e, si spera, raccoglieranno più dati che mai. I miei colleghi e io speriamo che i prossimi mesi si tradurranno in una o forse molte osservazioni multi-messaggero che spingeranno i confini dell'astrofisica moderna.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Credito immagine: Goddard Space Flight Center/Scott Noble della NASA; dati di simulazione, d'Ascoli et al. 2018

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