Le aspettative della comunità di ricerca sulle onde gravitazionali sono state soddisfatte:le scoperte sulle onde gravitazionali fanno ora parte del loro lavoro quotidiano come hanno identificato nel corso delle precedenti osservazioni, O3, nuovi candidati all'onda gravitazionale circa una volta alla settimana. Ma ora, i ricercatori hanno pubblicato un segnale notevole, diverso da quelli visti prima:GW190412 è la prima osservazione di una fusione binaria di buchi neri in cui i due buchi neri hanno masse nettamente diverse di circa 8 e 30 volte quella del nostro Sole. Ciò non solo ha consentito misurazioni più precise delle proprietà astrofisiche del sistema, ma ha anche permesso agli scienziati di LIGO/Virgo di verificare una previsione finora non verificata della teoria della relatività generale di Einstein.

"Per la prima volta abbiamo 'sentito' in GW190412 l'inconfondibile ronzio dell'onda gravitazionale di un'armonica più alta, simili a sfumature di strumenti musicali, " spiega Frank Ohme, capo del gruppo di ricerca indipendente Max Planck "Binary Merger Observations and Numerical Relativity" presso il Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) di Hannover. "Nei sistemi con masse disuguali come GW190412—la nostra prima osservazione di questo tipo—questi toni nel segnale dell'onda gravitazionale sono molto più forti che nelle nostre osservazioni abituali. Ecco perché non li sentivamo prima, ma in GW190412, finalmente possiamo." Questa osservazione conferma ancora una volta la teoria della relatività generale di Einstein, che predice l'esistenza di queste armoniche superiori, cioè onde gravitazionali a due o tre volte la frequenza fondamentale osservata finora.

"I buchi neri nel cuore di GW190412 hanno 8 e 30 volte la massa del nostro Sole, rispettivamente. Questo è il primo sistema binario di buchi neri che abbiamo osservato per il quale la differenza tra le masse dei due buchi neri è così grande!" afferma Roberto Cotesta, un dottorato di ricerca studente nella sezione "Relatività Astrofisica e Cosmologica" dell'AEI di Potsdam. "Questa grande differenza di massa significa che possiamo misurare più precisamente diverse proprietà del sistema:la sua distanza da noi, l'angolo con cui lo guardiamo, e quanto velocemente il pesante buco nero ruota attorno al suo asse".

Un segnale come nessuno prima

GW190412 è stato osservato sia dai rilevatori LIGO che dal rilevatore Virgo il 12 aprile 2019, all'inizio della terza corsa di osservazione dei rivelatori O3. Le analisi rivelano che la fusione è avvenuta a una distanza compresa tra 1,9 e 2,9 miliardi di anni luce dalla Terra. Il nuovo sistema di massa disuguale è una scoperta unica poiché tutti i binari osservati in precedenza dai rivelatori LIGO e Virgo erano costituiti da due masse più o meno simili.

Masse disuguali si imprimono sul segnale di onde gravitazionali osservato, che a loro volta consentono agli scienziati di misurare con maggiore precisione alcune proprietà astrofisiche del sistema. La presenza di armoniche superiori permette di rompere un'ambiguità tra la distanza dal sistema e l'angolo che si guarda al suo piano orbitale; quindi queste proprietà possono essere misurate con maggiore precisione rispetto a sistemi di uguale massa senza armoniche più elevate.

"Durante O1 e O2, abbiamo osservato la punta dell'iceberg della popolazione binaria composta da buchi neri di massa stellare, "dice Alessandra Buonanno, direttore della divisione "Relatività Astrofisica e Cosmologica" presso l'AEI di Potsdam e docente di College Park presso l'Università del Maryland. "Grazie alla maggiore sensibilità, GW190412 ha iniziato a rivelarci una più diversificata, popolazione sommersa, caratterizzato da asimmetria di massa grande come 4 e buchi neri che ruotano a circa il 40% del possibile valore massimo consentito dalla relatività generale, "aggiunge.

I ricercatori AEI hanno contribuito a rilevare e analizzare GW190412. Hanno fornito modelli accurati delle onde gravitazionali dalla coalescenza dei buchi neri che includevano, per la prima volta, sia la precessione degli spin dei buchi neri che i momenti multipolari oltre il quadrupolo dominante. Quelle caratteristiche impresse nella forma d'onda erano cruciali per estrarre informazioni uniche sulle proprietà della sorgente ed eseguire test di relatività generale. I cluster di computer ad alte prestazioni "Minerva" e "Hypatia" presso l'AEI Potsdam e "Holodeck" presso l'AEI Hannover hanno contribuito in modo significativo all'analisi del segnale.

Testare la teoria di Einstein

Gli scienziati di LIGO/Virgo hanno anche usato GW190412 per cercare deviazioni dei segnali da ciò che prevede la teoria della relatività generale di Einstein. Anche se il segnale ha proprietà diverse da tutti gli altri trovati finora, i ricercatori non sono riusciti a trovare alcuna deviazione significativa dalle previsioni relativistiche generali.

Una migliore rete internazionale di rilevatori che utilizzano la luce spremuta

Questa scoperta è la seconda riportata dal terzo ciclo di osservazione (O3) della rete internazionale di rivelatori di onde gravitazionali. Gli scienziati dei tre grandi rivelatori hanno apportato diversi aggiornamenti tecnologici agli strumenti.

"Durante l'O3, la luce spremuta è stata utilizzata per migliorare la sensibilità di LIGO e Virgo. Questa tecnica di sintonizzazione accurata delle proprietà quantomeccaniche della luce laser è stata sperimentata dal rivelatore tedesco-britannico GEO600, " spiega Karsten Danzmann, direttore dell'AEI Hannover e direttore dell'Istituto di Fisica Gravitazionale dell'Università Leibniz di Hannover. "L'AEI sta guidando gli sforzi mondiali per massimizzare il grado di spremitura, che ha già migliorato la sensibilità del rivelatore GEO600 di un fattore due. I nostri progressi in questa tecnologia andranno a beneficio di tutti i futuri rilevatori di onde gravitazionali".

Due fatti, 54 nella lista delle cose da fare

La rete di rivelatori ha emesso avvisi per 56 possibili eventi di onde gravitazionali (candidati) in O3 (1 aprile, dal 2019 al 27 marzo 2020 con interruzione per upgrade e messa in servizio a ottobre 2019). Di questi 56, un altro segnale confermato, GW190425, è già stato pubblicato. Gli scienziati di LIGO e Virgo stanno esaminando tutti i restanti 54 candidati e pubblicheranno tutti quelli per i quali analisi dettagliate di follow-up confermano la loro origine astrofisica.

L'osservazione di GW190412 significa che sistemi simili probabilmente non sono così rari come previsto da alcuni modelli. Perciò, con ulteriori osservazioni di onde gravitazionali e cataloghi di eventi in crescita in futuro, ci si possono aspettare più segnali di questo tipo. Ognuno di loro potrebbe aiutare gli astronomi a capire meglio come si formano i buchi neri e i loro sistemi binari, e gettare nuova luce sulla fisica fondamentale dello spazio-tempo.