Uno dei due bracci dell’interferometro Virgo, nel laboratorio Ego dell’Infn e Cnrs a Cascina, Pisa. Crediti: Istituto nazionale di fisica nucleare
Nessun annuncio di nuove onde gravitazionali, siamo sempre fermi a tre. Ma questi giorni di metà giugno, per gli appassionati del genere, sono stati densi di eventi. Andiamo in ordine cronologico inverso, e partiamo proprio da questo fine settimana: è iniziato venerdì 16 e durerà fino a tutt’oggi domenica 18 giugno – fa sapere a Media Inaf Fulvio Ricci, fino al mese scorso responsabile scientifico del progetto Virgo – il primo engineering run di Virgo in coincidenza con Ligo. Tradotto: il rivelatore italiano sta finalmente iniziando a “ballare” insieme ai due interferometri statunitensi della collaborazione.
Per ora si è unito alle danze solo in engineering mode, ovvero in modalità di messa a punto e collaudo, ma se l’esito del run va come previsto entro la fine dell’estate anche Virgo entrerà in scientific mode, dando così il via alle prime osservazioni a tre. Un ampliamento cruciale, questo. Se, rimanendo nella metafora ballerina, è vero che it takes two to tango, è altrettanto vero che it takes three to triangle: vale a dire, con l’ingresso in campo di Virgo si apre finalmente la possibilità di eseguire triangolazioni sufficientemente precise per risalire alla regione d’universo di provenienza delle future onde gravitazionali. Un run a tre, dunque, quello di questo weekend, anticipato dal primo triple lock, la risonanza ottica fra i bracci degli interferometri per la prima volta in simultanea fra tutt’e tre i rivelatori, quello di Virgo e i due di Ligo. Triplo lock annunciato ieri, sabato 17 giugno, sul sito di Ligo.
Ottime notizie, dunque, precedute qualche giorno fa da un episodio che sta creando un certo subbuglio nell’ambiente dei fisici gravitazionali. Martedì 13 giugno cinque ricercatori del Niels Bohr Institute di Copenhagen hanno caricato su ArXiv un articolo dal titolo apparentemente innocuo, “On the time lags of the LIGO signals”, ma dal contenuto alquanto pepato: mette in dubbio niente meno che l’origine astrofisica dei tre eventi fino a oggi confermati. Suggerendo implicitamemte che a produrli potrebbero essere state non onde gravitazionali bensì rumore.
Prima di proseguire occorre una premessa: non siamo soliti parlare di articoli non pubblicati, tanto meno se – come in questo caso, per quanto ne sappiamo – ancora nemmeno accettati. Questa volta facciamo un’eccezione perché è un paper del quale già si sta discutendo parecchio: fra scienziati, su blog su specializzati come per esempio The Reference Frame, ma anche su testate generaliste come Forbes, dove venerdì scorso Sabine Hossenfelder, fisica e divulgatrice scientifica, ha dedicato alla vicenda un lungo articolo.
Cos’hanno dunque fatto, James Creswell e i suoi quattro colleghi, Sebastian von Hausegger, Andrew Jackson, Hao Liu e Pavel Naselsky? In breve, hanno provato a rianalizzare i dati grezzi di Ligo per conto loro. Hanno preso i cosiddetti time-ordered data, la sequenza di numeri così come sono usciti dalla coppia di rivelatori gemelli di Ligo, e hanno provato a ripetere, in modo autonomo, l’analisi e i calcoli eseguiti dagli scienziati della collaborazione Ligo-Virgo. A partire dal processo più complicato: l’estrazione del segnale (le onde gravitazionali) dal rumore (tutto il resto).
Rumore e segnale a confronto. Fonte: “On the time lags of the LIGO signals”, Creswell et al., 2017
È istruttivo – e anche un po’ impressionante – vederli, questi “dati grezzi”. È istruttivo e impressionante per l’enorme quantità di rumore nel quale è immerso il segnale. Basta un’occhiata al grafico riportato qui a fianco, tratto dall’articolo di Creswell e colleghi, per comprendere l’immensità della sfida affrontata dagli scienziati di Ligo-Virgo. È un grafico che mostra 32 secondi di dati raccolti dai due interferometri – in nero quello di Hanford, a sudest di Seattle, nello stato di Washington, e in rosso quello gemello di Livingston, a nordovest di New Orleans, in Louisiana – in occasione di Gw150914, il primo evento di onde gravitazionali rilevato, qui indicato dalla riga verticale tratteggiata in blu. I “dati grezzi” sono le onde più in alto e più in basso. Al centro, invece, sono riportati i dati filtrati, ripuliti in qualche modo dal rumore e ingranditi di un fattore 100 per renderli visibili: vale a dire, se avessero conservato la stessa scala dei dati grezzi, non avremmo visto altro che una linea piatta. Il piccolo picco che si intravede, nelle due onde amplificate al centro, subito a destra della riga blu è l’evento, il celebre chirp, il segnale dell’onda gravitazionale che ha fatto il giro del mondo.
La domanda sorge spontanea: come distinguerli? Come isolare un segnale così debole da tutto quel rumore? Sebbene sia un’operazione che definire complicata è un eufemismo, concettualmente è abbastanza semplice. Ed è resa possibile dal fatto che i rivelatori di Ligo sono due, a circa tremila km di distanza l’uno dall’altro. Ora, essendo così distanti, l’assunzione degli scienziati è che entrambi vedano sì lo stesso segnale – l’onda gravitazionale stessa, seppur con qualche millisecondo di ritardo l’uno rispetto all’altro, uno scarto temporale che i ricercatori chiamano time lag, dovuto al fatto che le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce – ma non lo stesso rumore. Dunque è possibile “distillare” le tracce del segnale dal bagno di rumore proprio perché è il segnale l’unica correlazione – l’unico cordone ombelicale, potremmo dire – fra i due rivelatori.
Ebbene, è esattamente quest’unicità che i ricercatori di Copenhagen mettono in dubbio: stando ai loro calcoli, una correlazione analoga è presente anche nel rumore. Come se i due rivelatori di Ligo sentissero non solo le stesse onde gravitazionali, ma anche – per alcune sue componenti – lo stesso rumore. Per di più, con un time lag, uno scarto temporale, di durata di volta in volta simile a quella che separa il segnale delle onde gravitazionali fino a oggi confermate – quella del 14 settembre 2015, quella del 26 dicembre 2015 e quella del 4 gennaio 2017. Se fosse vero, sarebbe la spia di ciò che in gergo si chiama unwanted systematic effect, la bestia nera dei fisici sperimentali: un effetto sistematico non voluto – e non previsto.
È plausibile? Andiamoci piano. Prima di trarre conclusioni affrettate, o addirittura di ridimensionare le fusioni fra buchi neri che tanto ci hanno entusiasmato a mero rumore strumentale, occorre ricordare alcune cose. Anzitutto, come già sottolineato, questo di Creswell e colleghi è uno studio non ancora accettato per la pubblicazione: significa che, per il momento, è stato solo caricato in rete, e non ha ancora passato il vaglio dei referee, i giudici terzi della validità di un articolo. Secondo, si tratta di analisi estremamente complesse, che richiedono una conoscenza approfondita non solo della fisica in gioco ma anche, e soprattutto, degli strumenti – in questo caso, i due rilevatori di Ligo. Un terzo aspetto che suggerisce la massima prudenza, infine, è che dietro all’annuncio delle tre onde gravitazionali fino a oggi confermate c’è il lavoro durato mesi di oltre mille fra i migliori scienziati al mondo, i fisici della collaborazione Ligo-Virgo. Uno di loro è lo stesso Fulvio Ricci, al quale ci siamo rivolti per un parere.
«Abbiamo visto il lavoro e conosciamo gli autori. Non sono nuovi a questo tipo di analisi. Infatti abbiamo discusso e lavorato con loro quando hanno sollevato obiezioni sulla prima rilevazione, quella di Gw150914. Abbiamo provato a capire bene il loro punto di vista e cosa facevano esattamente», ricorda Ricci a Media Inaf, «abbiamo anche provato a spiegare perché, in quel caso, ritenevamo che la loro analisi non fosse corretta. Durante queste discussioni, abbiamo cercato di spiegare ciò che pensiamo siano le carenze del loro metodo di analisi applicato ai dati del Gw150914. Il problema più grave, a nostro avviso, era il loro calcolo della stima del fondo. Nonostante il nostro scetticismo, abbiamo condotto una serie successiva di test per vedere se potevamo osservare la coerenza anomala nei tempi indicati nei loro lavoro. Non abbiamo visto nulla».
A riprova del fatto che le perplessità del team danese sono già state prese in esame dalla collaborazione Ligo-Virgo, Ricci invita alla lettura della nota “Tests of general relativity with GW150914”, uno dei paper usciti in concomitanza con l’annuncio storico dell’11 febbraio 2016. «Lo studio delle proprietà statistiche del fondo degli eventi gravitazionali», dice Ricci, «è stato studiato in grande profondità dalle due collaborazioni proprio al fine di dedurre limiti superiori alle potenziali violazioni della Relatività generale. Come è riportato nella nota, non è stata osservata alcuna correlazione del tipo di quella citata nella nota degli autori danesi».
Stessi dati di partenza ma conclusioni diverse, dunque. Conclusioni destinate a rimanere diverse ancora per un certo tempo, già che – nella ricerca scientifica come in tutti gli altri ambiti della vita – anche gli aspetti più tipicamente umani giocano sempre un ruolo. «Dopo ulteriori discussioni con il loro gruppo», aggiunge infatti Ricci, «siamo giunti alla conclusione che, purtroppo, il team in questione non sembrava particolarmente disponibile a riflettere sulla loro metodologia, sulle eventuali carenze della loro analisi e su quali ragionevoli conclusioni possono trarre dal loro studio».
«Poiché essi insistono anche con i dati del nuovo evento [Gw170104, quello del 4 gennaio 2017, ndr], sarà nostra cura comunicare di nuovo con gli autori di questa nuova nota. Ci tengo a precisare», conclude Ricci, «che le collaborazioni Ligo e Virgo prendono in seria considerazione le questioni sollevate dai nostri colleghi, e in ogni caso apprezziamo sempre chi svolge un attento esame critico delle nostre analisi».
La risposta definitiva potrebbe comunque arrivare proprio da Virgo. A partire da fine estate, come abbiamo scritto all’inizio, il rivelatore italiano affiancherà i due Ligo nella caccia alle onde gravitazionali. Ora, se già è arduo immaginare un effetto sistematico in grado di presentarsi – con un ritardo compatibile con la velocità della luce – in due interferometri posti a tremila km di distanza, la rivelazione d’un’onda gravitazionale anche con un terzo interferometro, in parte diverso (per esempio, per la lunghezza dei bracci) e situato in un altro continente, sarebbe il modo più semplice per mettere fine a ogni residua perplessità.