Due stelle di neutroni in collisione. Credito: Goddard Space Flight Center/CI Lab della NASA
Negli anni '2030, i rivelatori di onde gravitazionali saranno migliaia di volte più sensibili di Advanced LIGO, Vergine e KAGRA. La rete di osservatori di "terza generazione" (3G) includerà quasi certamente Cosmic Explorer (USA), Einstein Telescope (UE) e potrebbe includere un osservatorio simile a un Cosmic-Explorer dell'emisfero australe.
Questi incredibili strumenti vedranno ogni binario stella di neutroni fusione nell'Universo e la maggior parte dei buchi neri binari verso spostamenti verso il rosso oltre 10: centinaia di migliaia, forse milioni, di segnali risolvibili all'anno. Molti di questi segnali saranno estremamente forti, con rapporti segnale-rumore nell'ordine di migliaia, facilitando le scoperte nella fisica fondamentale e nella cosmologia.
E qui sta una sfida!
Come estraiamo tutte le informazioni da questi segnali? In apparenza sembra un compito semplice: continua a eseguire la stima dei parametri come stiamo già facendo! Ma si scopre che i nostri attuali metodi di stima dei parametri non scalano così bene quando i segnali sono molto forti e con una banda molto lunga.
Per capire perché, abbiamo immaginato un segnale binario di fusione di stelle di neutroni "GW370817", che ha avuto origine a circa 40 Mpc dalla Terra, all'incirca la distanza di GW170817 (supponendo che i rivelatori 3G siano online nel 2037, siamo garantiti per osservare un migliaio di neutroni binari fusioni stellari il 17 agosto 2037!) Una rete di rivelatori 3G osserverebbe GW370817 per 90 minuti, con uno sbalorditivo rapporto segnale/rumore di 2500. Analizzare questo segnale è circa mille volte più costoso dal punto di vista computazionale rispetto all'analisi di un segnale nel sistema odierno rivelatori — secondo le nostre stime sul retro della busta, ci vorrebbero circa 1000 anni!
Questo tempo di analisi proibitivo è un ostacolo per l'astrofisica con i dati 3G ed è il problema che risolviamo nel nostro articolo. Per ridurre il tempo di calcolo, abbiamo sviluppato "modelli di ordine ridotto" di segnali di onde gravitazionali che ci consentono di dedurre le proprietà delle stelle di neutroni binari utilizzando dati fortemente compressi, senza quasi nessuna perdita di precisione. Abbiamo ridotto il costo computazionale dell'inferenza sui dati 3G di un fattore 13,000. Insieme a un pizzico di calcolo parallelo, siamo in grado di eseguire analisi dei dati in poche ore. Questa è una buona notizia per l'astrofisica nell'era 3G.
Mentre gli anni '2030 e i rilevatori 3G sono lontani alcuni anni, i nostri risultati e metodi sono utili per un'ampia gamma di studi teorici e di progettazione, che stanno aumentando di pari passo con lo sviluppo della tecnologia dei rilevatori. Per coloro che sono abbastanza anziani da ricordare, le prime sfide LISA sui dati fittizi sono iniziate nel 2005, il che dà un'idea di quanto lavoro esplorativo avvenga prima che un rilevatore sia operativo.
Per il momento, ci sono molte interessanti domande di astrofisica a cui possiamo iniziare a pensare nel contesto dei rivelatori 3G: quanto saremo in grado di misurare l'equazione di stato delle stelle di neutroni e la massa massima delle stelle di neutroni? E cosa ci dirà questo sulla materia estrema? Quanto bene si possono misurare gli spin delle stelle di neutroni e questo può dirci qualcosa sui meccanismi delle supernovae? ecc... I nostri risultati e il nostro metodo faciliteranno questo tipo di lavoro teorico consentendoci di eseguire solide inferenze sulle proprietà binarie di stelle di neutroni in dati simulati 3G.
Riferimento: “Inferenza bayesiana per onde gravitazionali da fusioni binarie di stelle di neutroni negli osservatori di terza generazione” di Rory Smith, Ssohrab Borhanian, Bangalore Sathyaprakash, Francisco Hernandez Vivanco, Scott Field, Paul Lasky, Ilya Mandel, Soichiro Morisaki, David Ottaway, Bram Slagmolen, Eric Thrane, Daniel Töyrä e Salvatore Vitale, 20 agosto 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.081102
