La collaborazione LIGO–Virgo–KAGRA ha pubblicato il nuovo Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0, aggiungendo 161 eventi di onde gravitazionali rilevati tra aprile 2024 e la fine di gennaio 2025. Il totale dei segnali osservati dal 2015 sale così a 390, con risultati che includono prove dell’esistenza di buchi neri di seconda generazione, la localizzazione più precisa mai ottenuta per una sorgente gravitazionale e la prima misurazione di tre toni vibrazionali di un buco nero. La rete internazionale di rivelatori LIGO, Virgo e KAGRA ha annunciato la pubblicazione online del nuovo catalogo aggiornato degli eventi di onde gravitazionali osservati fino a oggi. Il catalogo, denominato Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0, o GWTC-5, raccoglie i dati validati dalla collaborazione internazionale LIGO–Virgo–KAGRA, insieme ai relativi articoli scientifici in fase di invio all’Astrophysical Journal e all’Astrophysical Journal Letters.
Il nuovo aggiornamento include i dati raccolti tra aprile 2024 e la fine di gennaio 2025, durante una porzione della quarta campagna di osservazione, indicata come O4b. In questo intervallo sono stati rilevati 161 nuovi eventi di onde gravitazionali, portando a 390 il numero totale di segnali osservati dalla rete internazionale dalla prima rivelazione del 2015.
Il dato più rilevante è la crescita del numero di eventi osservati: il nuovo catalogo GWTC-5, insieme al precedente GWTC-4, che copriva gli eventi raccolti tra maggio 2023 e gennaio 2024, contiene il 75% di tutti gli eventi di onde gravitazionali osservati finora. Una quota che mostra con chiarezza il salto di qualità raggiunto dai rivelatori e la trasformazione dell’astronomia gravitazionale da disciplina delle prime scoperte a campo di indagine sistematico e di precisione.
LIGO, Virgo e KAGRA: la rete internazionale che osserva l’universo gravitazionale
La rete LVK è formata dai due rivelatori gemelli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO, della National Science Foundation statunitense, dal rivelatore Virgo ospitato dall’Osservatorio Gravitazionale Europeo, EGO, in Italia, e dal giapponese KAGRA, ospitato dall’Institute for Cosmic Ray Research, ICRR, dell’Università di Tokyo.
La collaborazione internazionale alterna periodi di raccolta dati, definiti campagne di osservazione, a fasi dedicate agli aggiornamenti, alla messa a punto e al miglioramento della sensibilità dei rivelatori. Proprio questi aggiornamenti hanno permesso di aumentare in modo significativo il numero di segnali osservati a ogni nuova campagna, rendendo possibile una crescita sempre più rapida del catalogo degli eventi di onde gravitazionali.
Il catalogo include dati convalidati e parametri fisici delle sorgenti, che vengono aggiornati e condivisi periodicamente con la comunità scientifica internazionale. La pubblicazione di GWTC-5 conferma quindi il ruolo centrale della rete LIGO–Virgo–KAGRA nello studio dei fenomeni più estremi dell’universo, dalle fusioni di buchi neri alle possibili collisioni che coinvolgono stelle di neutroni.
Tre o quattro segnali a settimana: la nuova fase dell’astronomia gravitazionale
La crescita del numero di osservazioni è direttamente legata alla sensibilità raggiunta dai rivelatori. La rete è oggi in grado di individuare con regolarità segnali che fino a pochi anni fa sarebbero stati impossibili da captare o da distinguere dal rumore strumentale.
“La straordinaria sensibilità dei nostri rilevatori”, ha affermato Ed Porter, ricercatore presso il Laboratoire Astroparticule et Cosmologie (APC) del CNRS, “ci permette ora di rilevare tre o quattro segnali di onde gravitazionali ogni settimana. Questa mole di dati in continua crescita, che un’intera comunità di scienziate e scienziati si sta impegnando ad analizzare e studiare, ci ha portato dall’era delle prime scoperte a quella dell’astronomia gravitazionale di precisione. Oggi, gli studi sulle onde gravitazionali rendono possibili analisi che prima erano inimmaginabili: indagini sulle popolazioni di buchi neri, verifiche sempre più precise della relatività generale nelle condizioni fisiche estreme dei fenomeni che osserviamo e lo sviluppo di nuovi metodi per ottenere stime sempre più accurate della costante di Hubble. È uno scenario su cui non molti avrebbero scommesso solo dieci anni fa”.
Il passaggio indicato da Porter è uno dei punti centrali del nuovo catalogo: le onde gravitazionali non sono più eventi rari e isolati, ma una fonte crescente di dati per studiare l’evoluzione dei buchi neri, verificare la relatività generale e misurare proprietà cosmologiche come la costante di Hubble.
GW240615, la localizzazione più precisa mai ottenuta per una sorgente di onde gravitazionali
Tra gli eventi più importanti del catalogo GWTC-5 c’è GW240615, un segnale rivelato il 15 giugno 2024 dai due rivelatori LIGO negli Stati Uniti e da Virgo in Europa. Questo evento ha stabilito il record per la localizzazione più precisa mai ottenuta di una sorgente di onde gravitazionali.
La sorgente è stata individuata in un’area di appena 6 gradi quadrati sulla sfera celeste. Si tratta di una regione relativamente piccola, un risultato ottenuto grazie alla triangolazione tra i dati provenienti dai tre rivelatori attivi in quel momento. Il contributo di Virgo, rientrato nella campagna di osservazione nell’aprile 2024 all’inizio di O4b, è stato decisivo per migliorare la capacità della rete di localizzare le sorgenti.
“Una localizzazione sempre più precisa delle sorgenti nel cielo è chiaramente una delle priorità per l’intera comunità astronomica al fine di cercare, all’interno della regione più ristretta possibile del cielo, eventuali segnali elettromagnetici generati dagli eventi osservati – specialmente nel caso di fusioni di stelle di neutroni o di fusioni tra un buco nero e una stella di neutroni – ha dichiarato Marie Anne Bizouard, portavoce della Collaborazione Virgo e ricercatrice presso il Francese Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) a Nizza – “Sapevamo che il contributo di Virgo sarebbe stato decisivo per migliorare la localizzazione delle sorgenti di onde gravitazionali osservate, e siamo orgogliosi dell’eccezionale lavoro svolto dal team responsabile di mettere a punto il rivelatore: siamo stati premiati da questo risultato da record”.
L’evento GW240615 è stato prodotto dalla fusione di due buchi neri con masse di circa 26 e 30 masse solari. La collisione è avvenuta a oltre 3 miliardi di anni luce dalla Terra, confermando ancora una volta la capacità della rete LIGO–Virgo–KAGRA di osservare fenomeni cosmici lontanissimi e di ricostruirne con precisione sempre maggiore la posizione nel cielo.
La costante di Hubble misurata con GWTC-5
L’aumento del numero di eventi osservati e il miglioramento nella localizzazione delle sorgenti hanno avuto un impatto anche sulla cosmologia. Utilizzando il set di dati del catalogo GWTC-5, il gruppo di ricerca LVK ha ottenuto una nuova misurazione indipendente della costante di Hubble, il parametro che descrive la velocità con cui l’universo si sta attualmente espandendo.
Il valore ottenuto è H0 = 71.0-7+9 km s-1 Mpc-1, con una precisione superiore del 25% rispetto alla stima fornita dalla precedente edizione del catalogo. Il risultato è compatibile sia con le misurazioni consolidate relative al cosmo più vicino sia con quelle riferite all’universo primordiale, ma non è ancora abbastanza preciso da risolvere la discrepanza tra questi diversi metodi di misura.
La costante di Hubble resta quindi uno degli snodi più delicati della cosmologia contemporanea. Le onde gravitazionali, grazie alla crescita dei cataloghi e alla maggiore precisione nella localizzazione delle sorgenti, stanno però diventando uno strumento sempre più importante per ottenere stime indipendenti dell’espansione dell’universo.
GW250114, il segnale di onde gravitazionali più nitido mai registrato
Un altro evento centrale nel catalogo è GW250114, il segnale di onde gravitazionali più chiaro mai rilevato. La sua nitidezza è misurata attraverso il rapporto segnale-rumore, o SNR, che indica quanto un segnale emerga rispetto al rumore che disturba i rivelatori. Nel caso di GW250114, il rapporto segnale-rumore ha raggiunto il valore record di 76,9.
Il segnale ha raggiunto la Terra il 14 gennaio 2025 ed è stato generato dalla fusione di due buchi neri con masse quasi identiche, pari rispettivamente a 32 e 34 volte la massa del Sole. L’evento è avvenuto a più di un miliardo di anni luce dalla Terra.
La straordinaria chiarezza di GW250114 ha permesso di ottenere risultati scientifici già annunciati dalla collaborazione LVK negli ultimi mesi, tra cui il test più accurato della relatività generale mai realizzato e la conferma del teorema di Stephen Hawking sull’area dei buchi neri.
I tre toni vibrazionali di un buco nero e il test della relatività generale
La fusione di due buchi neri produce un oggetto finale che vibra e si assesta, emettendo onde gravitazionali in modo analogo a una campana che risuona dopo essere stata colpita. La nitidezza di GW250114 ha permesso di studiare con precisione questo comportamento.
“Quando due buchi neri si fondono, la collisione risuona come una campana, emettendo toni specifici caratterizzati da due valori: una frequenza di oscillazione e un tempo di smorzamento”, ha affermato il fisico della Cornell University Keefe Mitman. “Se si misura un tono nei dati relativi a una collisione, è possibile calcolare la massa e lo spin del buco nero formatosi dalla collisione. Ma se si misurano due o più toni nei dati – cosa che un segnale chiaro come GW250114 permette – ciascuno di essi fornisce effettivamente una misurazione diversa della massa e dello spin, secondo la relatività generale”.
“Se queste due misurazioni concordano tra loro, si sta di fatto verificando la relatività generale”, ha affermato Mitman. “Ma se si misurano due toni che non corrispondono alla stessa combinazione di massa e spin, è possibile iniziare a valutare di quanto ci si sia allontanati dalle previsioni della relatività generale”. GW250114 era sufficientemente nitido da consentire ai ricercatori di misurare due toni e di circoscrivere un terzo. Tutti concordano con la relatività generale di Einstein.
La misurazione di due toni e la possibilità di circoscriverne un terzo rappresentano un risultato di grande rilievo per la fisica gravitazionale. In questo modo, GW250114 diventa uno dei test più stringenti mai ottenuti del comportamento dei buchi neri e della validità della relatività generale in condizioni fisiche estreme.
Buchi neri di seconda generazione: gli indizi da GW241011 e GW241110
Il nuovo catalogo GWTC-5 include anche due eventi considerati particolarmente significativi: GW241011 e GW241110. I due segnali sono stati rilevati rispettivamente in ottobre e novembre 2024, a distanza di circa un mese l’uno dall’altro.
Entrambi sono stati generati da fusioni di buchi neri, situate rispettivamente a circa 700 milioni e 2,4 miliardi di anni luce dalla Terra. Le caratteristiche delle fusioni, in particolare lo spin dei buchi neri, cioè l’orientamento e la velocità della loro rotazione, indicano che gli oggetti coinvolti potrebbero essere buchi neri di seconda generazione.
Questi buchi neri sarebbero a loro volta il risultato di precedenti coalescenze. La loro formazione sarebbe avvenuta probabilmente in ambienti cosmici molto densi e affollati, come gli ammassi stellari, dove i buchi neri hanno maggiori probabilità di incontrarsi, scontrarsi e fondersi più volte.
La presenza di possibili buchi neri di seconda generazione è uno dei risultati più importanti del nuovo catalogo, perché permette di ricostruire non soltanto singoli eventi di fusione, ma anche la storia evolutiva delle popolazioni di buchi neri nell’universo.
Le popolazioni di buchi neri e il mistero degli oggetti tra 10 e 20 masse solari
L’aumento del numero di eventi osservati consente di studiare con maggiore precisione le proprietà collettive delle diverse popolazioni di buchi neri. Uno degli articoli associati al catalogo GWTC-5 è dedicato proprio a questo aspetto, con particolare attenzione alla distribuzione delle masse e degli spin.
“Uno degli indizi più intriganti che emergono dal nuovo catalogo è la presenza di un gruppo di buchi neri con masse comprese tra circa 10 e 20 volte quella del Sole che sembrano condividere una caratteristica comune: ruotano rapidamente, essendo probabilmente buchi neri di “seconda generazione””, ha affermato Mario Spera, ricercatore della Collaborazione Virgo presso la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA). “Il mistero non sta semplicemente nel fatto che questi buchi neri ruotino velocemente, ma nel perché questa sottopopolazione compaia proprio a queste masse. È un altro indizio del fatto che l’Universo potrebbe ancora nascondere pezzi importanti della storia di come i buchi neri nascono, si evolvono e si fondono. E questo quadro diventerà più ricco, e più sorprendente, con ogni nuovo catalogo di onde gravitazionali di LVK”.
Il punto indicato da Spera riguarda una delle questioni aperte più rilevanti nello studio dei buchi neri: comprendere perché alcune sottopopolazioni presentino caratteristiche comuni, come rotazioni rapide e specifici intervalli di massa. Con il crescere del numero di eventi nei cataloghi LVK, diventa possibile distinguere meglio tra diversi scenari di formazione, evoluzione e fusione.
Perché GWTC-5 mostra la maturità dell’astronomia gravitazionale
Il catalogo GWTC-5 segna una fase nuova dell’astronomia gravitazionale. I 390 eventi di onde gravitazionali osservati dalla prima rivelazione del 2015 non rappresentano soltanto un archivio di segnali, ma una base statistica sempre più ampia per studiare la fisica dei buchi neri, la struttura dell’universo e la validità della relatività generale.
La combinazione tra l’aumento degli eventi, la maggiore precisione nella localizzazione delle sorgenti, la misura di segnali estremamente nitidi come GW250114 e l’identificazione di possibili buchi neri di seconda generazione mostra il passaggio a una fase di indagine più matura. L’astronomia gravitazionale non si limita più a confermare l’esistenza delle onde previste da Einstein, ma le utilizza come strumento per misurare, classificare e comprendere fenomeni cosmici estremi.
La pubblicazione di GWTC-5 conferma anche l’importanza degli aggiornamenti tecnologici dei rivelatori. Ogni miglioramento nella sensibilità della rete LIGO–Virgo–KAGRA si traduce in un numero maggiore di eventi rilevati, in misure più accurate e in nuove possibilità di confronto tra osservazioni gravitazionali, segnali elettromagnetici e modelli teorici.
La collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA
LIGO è finanziato dalla NSF e gestito da Caltech e MIT, che hanno ideato e realizzato il progetto. Il sostegno finanziario al progetto Advanced LIGO è stato guidato dalla NSF, con significativo impegno e contributi da parte di Germania, attraverso la Max Planck Society, Regno Unito, attraverso lo Science and Technology Facilities Council, e Australia, attraverso l’Australian Research Council. Oltre 1.600 scienziati di tutto il mondo partecipano al progetto attraverso la LIGO Scientific Collaboration, che include la GEO Collaboration. Altri partner sono elencati sul sito https://my.ligo.org/census.php.
La Collaborazione Virgo è attualmente composta da circa 1.000 membri provenienti da 175 istituzioni di 20 paesi diversi, principalmente europei. L’Osservatorio Gravitazionale Europeo, EGO, ospita il rivelatore Virgo vicino a Pisa ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS, in Francia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN, in Italia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Subatomica, Nikhef, nei Paesi Bassi, dalla Fondazione per la Ricerca delle Fiandre, FWO, e dal Fondo Belga per la Ricerca Scientifica, F.R.S.-FNRS. Un elenco dei gruppi della Collaborazione Virgo è disponibile all’indirizzo: https://www.virgo- gw.eu/about/scientific-collaboration/. Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web di Virgo: https://www.virgo-gw.eu.
KAGRA è un interferometro laser con bracci di 3 km a Kamioka, Gifu, in Giappone. L’istituto ospitante è l’Istituto per la Ricerca sui Raggi Cosmici, ICRR, dell’Università di Tokyo, e il progetto è co-ospitato dall’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone, NAOJ, e dall’Organizzazione per la Ricerca sugli Acceleratori ad Alta Energia, KEK.
Vuoi ricevere le notifiche sulle nostre notizie più importanti?