Sorgenti Astrofisiche di Onde Gravitazionali
Le sorgenti astrofisiche di onde gravitazionali possono essere classificate in base al tipo di segnale che emettono. In questo contesto, esistono tre principali tipi di segnali: transienti, continui e stocastici.
I segnali transienti possono variare da durate brevissime (pochi millisecondi) a periodi di diversi minuti. Sono generati da eventi intrinsecamente brevi nel tempo, come il burst di onde gravitazionali atteso da un’esplosione di supernova, oppure da eventi di lunga durata che però Virgo può osservare solo nelle fasi finali, come le coalescenze di binarie compatte (CBC), ovvero fusioni di sistemi binari di buchi neri o stelle di neutroni.
I segnali continui, invece, hanno una durata molto lunga, che può estendersi per mesi o anni. Questi segnali sono generalmente più deboli rispetto a quelli delle coalescenze di binarie compatte; tuttavia, il fatto che si protraggano nel tempo consente di accumularne il segnale su lunghi intervalli di dati, aumentando così le probabilità di rivelazione. Tra le possibili sorgenti di segnali continui vi sono le stelle di neutroni in rotazione non perfettamente simmetriche: l’asimmetria può essere dovuta a deviazioni dalla forma sferica perfetta (la presenza di piccole “montagne” sulla loro superficie) o a perturbazioni oscillanti della loro struttura interna.
Ad oggi, le onde gravitazionali continue non sono mai state rivelate, ma si prevede che possano essere individuate dai rivelatori avanzati LIGO e Virgo nei prossimi cicli di osservazione o da futuri strumenti di nuova generazione. Inoltre, segnali quasi-periodici potrebbero essere emessi da nubi di bosoni ultra-leggeri, una possibile componente della materia oscura, che orbitano attorno a buchi neri di massa stellare.
Un terzo tipo di segnale è il fondo stocastico, che risulta dalla somma incoerente di numerosi segnali di onde gravitazionali troppo deboli per essere rivelati singolarmente. Il fondo stocastico può essere generato dalla sovrapposizione di segnali gravitazionali provenienti da una miriade di sorgenti astrofisiche, vicine o lontane, giovani o antiche, troppo deboli o troppo distanti per essere rivelate individualmente. La sua rivelazione, che potrebbe essere alla portata della rete Advanced LIGO e Virgo nei prossimi periodi di osservazione, fornirebbe preziose informazioni sulla storia della formazione stellare e sull’evoluzione delle sorgenti astrofisiche.
Esiste, inoltre, la possibilità di un fondo cosmologico di onde gravitazionali, distinto da quello astrofisico: secondo la teoria dell’Inflazione, esso sarebbe stato generato subito dopo il Big Bang. Questo fondo cosmologico potrebbe essere rivelabile dai rivelatori di onde gravitazionali di nuova generazione. [Link a futuro]
Coalescenza di Sistemi Binari Compatti
Un sistema binario compatto è composto da due oggetti compatti: esempi sono un sistema binario di due stelle di neutroni (BNS), un sistema binario di due buchi neri (BBH) o un sistema binario misto composto da una stella di neutroni e un buco nero (NSBH). Questo è un tipico esempio di sorgente di onde gravitazionali. Man mano che il sistema evolve nel tempo, i due oggetti compatti spiraleggiano sempre più velocemente l’uno intorno all’altro, avvicinandosi progressivamente fino a fondersi, poiché il sistema perde energia attraverso l’emissione di onde gravitazionali. Questo fenomeno è noto come coalescenza. Quando i due corpi si avvicinano, le onde generate aumentano in frequenza e ampiezza. Questo tipo di segnale è chiamato “chirp”, in riferimento al suono emesso dagli uccelli.
Questi segnali sono identificati da tre fasi: inizialmente gli oggetti sono distanti ma orbitano l’uno attorno all’altro (inspiral), poi, con il decadimento dell’orbita, precipitano l’uno verso l’altro fino a fondersi. Durante queste ultime fasi del decadimento orbitale, le onde gravitazionali sono abbastanza intense da essere osservate nella banda di frequenza sensibile di Virgo. A seconda della loro massa, possiamo osservare da poche a molte centinaia di orbite dei corpi in coalescenza prima della fusione.
La prima osservazione diretta di onde gravitazionali è stata GW150914, il 14 settembre 2015, proveniente dalla coalescenza di due buchi neri di masse pari a 36 e 29 volte quella del Sole, che si sono fusi a una distanza di 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra. La prima rivelazione che ha coinvolto dati dal rivelatore Virgo è stata GW170814, il 14 agosto 2017, che è stata anche la prima individuata da una rete di tre rivelatori (Virgo, LIGO Hanford e LIGO Livingston).
Ogni volta che l’umanità ha osservato il cielo con strumenti nuovi, esplorato nuove lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico o utilizzato nuovi messaggeri cosmici, ha scoperto nuovi oggetti e fenomeni. Cercando onde gravitazionali, ci aspettiamo anche delle sorprese. Ad esempio, le stringhe cosmiche sono “difetti” nella struttura dello spaziotempo che potrebbero essersi formati durante l’evoluzione dell’Universo. Queste stringhe non sono mai state osservate, ma, se esistessero, si prevede che possano emettere onde gravitazionali. Forse Virgo ci permetterà di rivelare per la prima volta tali fenomeni. Le stringhe cosmiche sono solo un esempio di sorgenti di onde gravitazionali più “esotiche”. Esistono molte altre sorgenti teoriche di onde gravitazionali i cui segnali non sono ancora stati osservati, ma solo ipotizzati: onde gravitazionali che trapelano da oggetti simili ai buchi neri, nubi di bosoni ultra-leggeri che si formano attorno a buchi neri in rotazione e molte altre. Tutte queste scoperte rappresenterebbero progressi scientifici straordinari, ma probabilmente le sorgenti più entusiasmanti che potremo rivelare con le onde gravitazionali in futuro saranno proprio quelle che ancora non possiamo nemmeno prevedere e che ci sorprenderanno completamente.