Riepilogo: Un pò di più sulle onde

Effetto dell'onda gravitazionale sulla materia, un pò amplificata ☺️

La rilevazione delle onde gravitazionali ci porta informazioni cruciali sulle sorgenti di emissione perché la forma d'onda del segnale gravitazionale è una "firma" unica dell'evento che l'ha generata, codificando al suo interno le proprietà fisiche degli oggetti coinvolti. Immagina le onde gravitazionali come un'impronta digitale sonora dell'evento cosmico. Gli interferometri come LIGO, Virgo o Kagra non misurano semplicemente un "click" o un'onda generica, ma un segnale che varia nel tempo (una waveform complessa) e che porta con sé una ricchezza di dati.Ecco come questa "firma" ci fornisce informazioni sulle sorgenti:

L'Evoluzione della Frequenza e dell'Ampiezza (il "Chirp"):Quando due oggetti compatti (buchi neri, stelle di neutroni) orbitano l'uno attorno all'altro, perdono energia sotto forma di onde gravitazionali. Man mano che si avvicinano e accelerano, la frequenza e l'ampiezza delle onde gravitazionali aumentano. Questo suono crescente è chiamato "chirp" (cinguettio).Massa degli Oggetti: La velocità con cui la frequenza del chirp aumenta (il tasso di chirping) dipende direttamente dalla massa combinata degli oggetti. Oggetti più massicci si fondono più velocemente e producono un chirp di frequenza più alta e più breve. Oggetti meno massicci (come le stelle di neutroni) hanno un chirp più lungo e a frequenza più bassa. Analizzando questa evoluzione, possiamo dedurre le masse individuali e totali dei componenti del sistema binario.Distanza: L'ampiezza del segnale che rileviamo è inversamente proporzionale alla distanza della sorgente. Un segnale più debole (ma con la stessa forma di chirp) indica una sorgente più lontana. Questo ci permette di calcolare la distanza di luminosità dell'evento.La Fase del Segnale:Oltre alla frequenza e all'ampiezza, la fase del segnale (ovvero la posizione esatta dell'onda in un dato momento) è estremamente sensibile alle proprietà di rotazione (spin) degli oggetti e all'eccentricità dell'orbita.Spin: Se i buchi neri o le stelle di neutroni stanno ruotando, il loro spin influenza come interagiscono gravitazionalmente e come emettono onde gravitazionali. Analizzando le piccole deviazioni nella fase del chirp, possiamo dedurre la grandezza e l'orientamento degli spin degli oggetti.La Fase Finale (Ringdown):Dopo la fusione, l'oggetto singolo risultante (tipicamente un buco nero) è inizialmente distorto. Queste distorsioni si smorzano rapidamente emettendo onde gravitazionali a frequenze specifiche, un fenomeno chiamato "ringdown" (suono residuo).Proprietà del Buco Nero Finale: Il ringdown è come l'impronta digitale del buco nero appena formato. Le frequenze e i tassi di smorzamento di queste onde dipendono unicamente dalla massa e dallo spin del buco nero residuo. Questo è cruciale per testare la Teoria della Relatività Generale di Einstein (che prevede che un buco nero sia caratterizzato solo da massa e spin, il "teorema no-hair").Polarizzazione:Le onde gravitazionali possono avere diverse polarizzazioni (modi in cui distorcono lo spaziotempo). I diversi rivelatori sparsi sul pianeta (LIGO negli USA, Virgo in Italia, Kagra in Giappone) sono orientati in modo diverso.Posizione nel Cielo e Inclinazione: Confrontando l'ampiezza e la fase del segnale rilevato da più rivelatori, possiamo triangolare la posizione approssimativa della sorgente nel cielo e determinare l'inclinazione dell'orbita rispetto alla nostra linea di vista.Per le Stelle di Neutroni (Binary Neutron Star - BNS):

Quando due stelle di neutroni si fondono, oltre al segnale gravitazionale del chirp, si può estrarre un'ulteriore informazione cruciale: la deformabilità mareale (tidal deformability). Questo parametro ci dice quanto facilmente una stella di neutroni si deforma sotto l'influenza gravitazionale dell'altra poco prima della fusione. Equazione di Stato: La deformabilità mareale è direttamente collegata all'equazione di stato della materia ultradensa all'interno delle stelle di neutroni, un'informazione fondamentale che non possiamo ottenere in laboratorio. Le onde gravitazionali sono quindi una finestra unica sull'interno di questi oggetti estremi.Controparti Elettromagnetiche: Inoltre, le fusioni di stelle di neutroni (come GW170817) producono anche emissioni di luce (raggi gamma, raggi X, luce visibile, onde radio). La combinazione di segnali gravitazionali ed elettromagnetici (astronomia multi-messaggera) ci fornisce un quadro ancora più completo e ci permette di individuare con maggiore precisione la galassia ospite.In sintesi, la rilevazione delle onde gravitazionali è come ascoltare la sinfonia del cosmo, dove ogni variazione nel "suono" (la forma d'onda) ci racconta in dettaglio gli "strumenti" che l'hanno prodotta (massa, spin, distanza, tipo di oggetto) e le loro dinamiche finali.

Esempio:Immagina di rilevare un segnale gravitazionale come GW150914, il primo evento di onde gravitazionali mai rilevato, che ha segnato l'inizio dell'astronomia gravitazionale.

Il Segnale (Il "Suono"):LIGO ha rilevato un "chirp" molto breve, durato solo circa 0,2 secondi. In questo brevissimo lasso di tempo, la frequenza del segnale è aumentata rapidamente, passando da circa 35 Hz a 250 Hz. Subito dopo, c'è stato un "ringdown" molto rapido.

Cosa ci dice questa "firma" specifica?

Chirp Corto e ad Alta Frequenza:

La brevità e l'alta frequenza iniziale del chirp indicano immediatamente che gli oggetti erano molto massicci e stavano orbitando a velocità estremamente elevate, tipiche di buchi neri. Se fossero state stelle di neutroni, il chirp sarebbe stato molto più lungo e a frequenze più basse (come in GW170817, durato oltre 100 secondi).Analizzando la velocità con cui la frequenza aumentava, i fisici hanno calcolato le masse individuali dei due buchi neri: uno di circa 36 masse solari (M⊙) e l'altro di circa 29 masse solari (M⊙). La massa totale del sistema binario era quindi di circa 65 M⊙.Ringdown Veloce e Frequenza Specifica:

Subito dopo il picco del chirp, il segnale si è smorzato rapidamente. Questa fase di "ringdown" ha permesso di determinare le proprietà del buco nero finale formatosi dalla fusione.Dai dati del ringdown, si è calcolato che il buco nero risultante aveva una massa di circa 62 M⊙e uno spin molto elevato. La differenza di circa 3 M⊙ tra la massa totale iniziale (65 M⊙ ) e la massa finale (62 M⊙) rappresenta l'energia convertita in onde gravitazionali, che è stata irradiata via in quel brevissimo istante.Ampiezza del Segnale Rilevato:

L'ampiezza del segnale misurato dai rivelatori ha permesso di stimare la distanza della sorgente. Per GW150914, si è calcolato che l'evento è avvenuto a circa 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra. Un'ampiezza maggiore indicherebbe una sorgente più vicina, una minore una più lontana.Differenze tra i Rilevatori (LIGO Hanford e LIGO Livingston):

Il segnale è stato rilevato prima da un rivelatore LIGO e pochi millisecondi dopo dall'altro. Questo piccolo ritardo temporale (circa 7 millisecondi) tra i due rilevatori ha permesso di restringere significativamente la posizione della sorgente nel cielo a una regione relativamente piccola (circa 600 gradi quadrati).In sintesi, per GW150914, l'analisi della forma d'onda ha rivelato che:

Sorgente: Due buchi neri.Masse: Uno di 36 M⊙, l'altro di 29 M⊙. Esito: Si sono fusi per formare un buco nero di 62 M⊙.Energia Emessa: Circa 3 masse solari convertite in energia gravitazionale.Distanza: 1,3 miliardi di anni luce.Localizzazione: Una regione specifica del cielo.Questo dimostra come ogni caratteristica del segnale gravitazionale sia un "messaggio" preciso che, una volta decifrato con modelli teorici e analisi computazionali, ci fornisce una quantità incredibile di informazioni dettagliate sugli eventi più estremi e misteriosi dell'universo.