La collaborazione LIGO–Virgo–KAGRA ha pubblicato oggi un nuovo catalogo di eventi di onde gravitazionali. Alla raccolta, che viene periodicamente aggiornata, sono stati aggiunti complessivamente 161 eventi, rilevati tra aprile 2024 e la fine di gennaio 2025, portando a 390 il numero totale di segnali di onde gravitazionali rilevati fino ad oggi. Tra i risultati più significativi vi sono: la prova dell’esistenza di buchi neri di seconda generazione, la localizzazione più precisa mai ottenuta per una sorgente di onde gravitazionali e la prima misurazione di tre toni vibrazionali di un buco nero. Una miriade di risultati che segna il raggiungimento della maturità dell’astronomia gravitazionale.
La rete internazionale di rilevatori di onde gravitazionali LIGO, Virgo e KAGRA (LVK) ha annunciato oggi la pubblicazione online di un catalogo aggiornato di tutti gli eventi di onde gravitazionali osservati fino ad oggi, denominato Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), con i relativi articoli scientifici in fase di invio all’Astrophysical Journal e all’Astrophysical Journal Letters.
I dati analizzati in questo lavoro sono stati raccolti dai rilevatori tra aprile 2024 e la fine di gennaio 2025, durante una porzione della quarta campagna di osservazione (O4) nota come O4b. Durante questo periodo sono stati rilevati 161 nuovi eventi di onde gravitazionali, portando il numero totale di eventi osservati dalla rete dalla prima rivelazione nel 2015 a 390.
La rete internazionale LVK è costituita dai rivelatori gemelli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation (NSF) 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.
Questo ultimo aggiornamento del catalogo, insieme al precedente GWTC-4, che copre gli eventi raccolti tra maggio 2023 e gennaio 2024, contiene il 75% di tutti gli eventi di onde gravitazionali osservati finora dalla prima rilevazione nel 2015. Questo risultato impressionante dimostra quanto siano cruciali gli aggiornamenti dei rivelatori per aumentarne la sensibilità, portando a una crescita straordinaria del numero di eventi rivelati ad ogni successiva campagna di osservazione.
Infatti, la collaborazione internazionale LIGO–Virgo–KAGRA (LVK) alterna periodi di raccolta dati (campagne di osservazione) a fasi dedicate agli aggiornamenti e alla messa a punto dei rivelatori. Questo è anche il motivo per cui il catalogo degli eventi di onde gravitazionali — che include i dati convalidati e i parametri fisici delle sorgenti — viene aggiornato e condiviso periodicamente con la più ampia comunità scientifica.
«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».
Oltre alle nuove prospettive aperte da questo straordinario numero di osservazioni, il nuovo catalogo include anche diverse rivelazioni di per sé eccezionali e stabilisce nuovi record nell’ambito delle osservazioni di astronomia delle onde gravitazionali: la migliore localizzazione mai ottenuta per una sorgente di onde gravitazionali, il segnale di onde gravitazionali più nitido mai registrato e prove dell’esistenza di buchi neri di seconda generazione.
La migliore localizzazione mai ottenuta
Un segnale rivelato dai due rilevatori LIGO negli Stati Uniti e da Virgo in Europa il 15 giugno 2024 — e denominato pertanto GW240615 — ha stabilito il record per la localizzazione della sorgente più precisa tra tutti gli eventi di onde gravitazionali osservati fino ad oggi. La sorgente è stata identificata in un’area di soli 6 gradi quadrati, una porzione relativamente piccola della sfera celeste. Questo risultato eccezionale è stato ottenuto grazie alla triangolazione che ha utilizzato i dati provenienti da tutti e tre i rivelatori attivi in quel momento, compreso Virgo, che è rientrato nella campagna di osservazione nell’aprile 2024 all’inizio di O4b, contribuendo in modo significativo alle capacità di localizzazione delle sorgenti della rete.
«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 di onde gravitazionali osservato con questa localizzazione estremamente precisa è stata la fusione di due buchi neri, con masse di circa 26 e 30 masse solari, che si sono scontrati violentemente a oltre 3 miliardi di anni luce dalla Terra.
In generale i miglioramenti nella capacità della rete di localizzare gli eventi, insieme all’aumento delle dimensioni del set di dati, hanno permesso anche una stima più accurata della costante di Hubble, H₀, che indica la velocità con cui l’Universo si sta attualmente espandendo. Utilizzando il set di dati GWTC-5, il gruppo di ricerca LVK ha ottenuto una nuova misurazione indipendente della costante di Hubble, H0 = 71.0-7+9 km s-1 Mpc-1 , che è più precisa del 25% rispetto alla stima fornita dalla precedente edizione del catalogo. Questo valore è perfettamente in linea con le misurazioni consolidate relative sia al cosmo più vicino a noi che all’Universo primordiale, ma non è ancora sufficientemente preciso da risolvere la discrepanza tra tali misurazioni.
Il segnale di onde gravitazionali più nitido mai registrato
Rilevare le onde gravitazionali non significa semplicemente captare un segnale, ma estrarlo dal rumore che disturba i rilevatori. Ciò richiede un intenso lavoro di riduzione del rumore e analisi dei dati altamente sofisticate, motivo per cui la “forza” o la “nitidezza” di un segnale viene espressa attraverso il rapporto segnale-rumore (SNR). Il catalogo pubblicato oggi include il segnale di onde gravitazionali “più chiaro” mai rilevato, con un rapporto segnale-rumore di 76,9. Questo segnale, denominato GW250114, ha raggiunto la Terra il 14 gennaio 2025 ed è stato generato dalla fusione di due buchi neri con masse quasi identiche (rispettivamente 32 e 34 volte la massa del Sole), avvenuta a più di un miliardo di anni luce dalla Terra. La sua “nitidezza” ha portato ad alcuni risultati scientifici eccezionali, già pubblicati e 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.
«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.
Buchi neri di seconda generazione
Un altro risultato straordinario, incluso nel nuovo catalogo pubblicato oggi — sebbene fosse già stato annunciato dalla Collaborazione LVK nei mesi scorsi — riguarda due eventi davvero speciali: GW241011 e GW241110. Questi segnali, rilevati in ottobre e novembre 2024, a distanza di appena un mese l’uno dall’altro, sono stati generati da due fusioni di buchi neri, situate rispettivamente a circa 700 milioni e 2,4 miliardi di anni luce dalla Terra. Alcune caratteristiche di queste fusioni — in particolare lo spin dei buchi neri (ovvero l’orientamento e la velocità delle loro rotazioni) — indicano che gli oggetti coinvolti potrebbero essere buchi neri di “seconda generazione”, ovvero buchi neri che sono essi stessi il risultato di precedenti coalescenze. Questi oggetti si sono probabilmente formati in ambienti cosmici molto densi e affollati, come gli ammassi stellari, dove i buchi neri sono più inclini a scontrarsi e fondersi ripetutamente.
Il numero crescente di eventi osservati ha inoltre permesso ai ricercatori di studiare e identificare in modo sempre più chiaro le proprietà delle diverse popolazioni di buchi neri, e uno degli articoli che accompagnano il Catalogo tratta proprio di questo aspetto specifico.
«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”
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 (Max Planck Society), Regno Unito (Science and Technology Facilities Council) e Australia (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, 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). La collaborazione KAGRA è composta da oltre 400 membri provenienti da 128 istituti di 17 Paesi/regioni. Le informazioni sul KAGRA per il pubblico generale sono disponibili sul sito web https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Le risorse per i ricercatori sono accessibili da http://gwwiki.icrr.u-okyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.
