ZTFJ1539: come LISA potrebbe studiare una binaria dal periodo ultrabreve

Le onde gravitazionali offrono un modo di studiare i fenomeni cosmici diverso dalla luce. La missione pianificata LISA — Laser Interferometer Space Antenna — sarà un rivelatore spaziale con sensibilità massima nella fascia di frequenze occupata da sistemi binari compatti a periodo breve. ZTFJ1539+5027 appartiene a questa classe ed era già nota grazie a osservazioni elettromagnetiche. Littenberg e Cornish hanno chiesto quali informazioni aggiuntive LISA potrebbe fornire una volta operativa: i loro numeri sono previsioni basate su simulazioni, non risultati osservativi.

Gli autori hanno inviato il lavoro ad arXiv il 2 agosto 2019 e pubblicato la versione 2 il 5 agosto. Questa versione indica che l’articolo è stato accettato da Astrophysical Journal Letters. Il testo integrale illustra metodo e proiezioni nella versione 2 su arXiv. Come contesto, un altro lavoro ha riportato la scoperta di ZTFJ1539+5027 come binaria a eclisse di due nane bianche, con periodo orbitale di 6,91 minuti e rapido decadimento orbitale compatibile con la relatività generale (articolo sulla scoperta).

Come sono state costruite le simulazioni

L’analisi è partita dai parametri del sistema misurati tramite osservazioni elettromagnetiche e li ha usati per generare un segnale gravitazionale di riferimento. Tali misure non determinavano alcune caratteristiche del segnale: polarizzazione e fase iniziale. I ricercatori hanno assegnato a questi parametri valori casuali estratti da distribuzioni uniformi. Hanno poi applicato un metodo progettato per rilevare e caratterizzare binarie compatte nei dati simulati di LISA.

Il gruppo ha considerato durate ipotetiche di osservazione di uno, due, quattro e otto anni. Nell’articolo, quattro anni rappresentano la durata nominale di riferimento e otto un possibile scenario di missione estesa. Non sono periodi già osservati da LISA. La ricerca era inoltre mirata: la posizione celeste di ZTFJ1539 era fissata in anticipo e l’analisi si concentrava sulla stretta banda di frequenze contenente il segnale. Queste condizioni delimitano la portata delle proiezioni.

Un segnale rilevante nel modello

Per circa quattro anni di dati simulati, gli autori hanno ottenuto un rapporto segnale-rumore di circa 140. Variando casualmente polarizzazione e fase iniziale, circa il 20% delle simulazioni consentiva la rilevazione entro una settimana, quando la ricerca era indirizzata proprio alla posizione celeste della sorgente. Questo risultato sulla rapidità dipendeva dai valori di quei due parametri.

Nelle simulazioni, la sorgente sarebbe stata rilevabile senza ambiguità dopo circa un mese, a prescindere da quelle condizioni iniziali. Lo studio ha anche esaminato la possibile presenza di altre binarie nella banda analizzata usando simulazioni di popolazioni galattiche. Per la durata nominale considerata, gli autori hanno concluso che la probabilità che ZTFJ1539 si confondesse con un’altra sorgente o fosse identificata in modo errato era bassa. È una conclusione valida nello scenario modellato, non una garanzia sui dati futuri.

Miglioramenti previsti per inclinazione e distanza

L’inclinazione descrive l’orientamento dell’orbita rispetto all’osservatore. Secondo le simulazioni, LISA potrebbe misurarla con un’incertezza di una deviazione standard di circa 1° dopo un anno e 0,15° dopo otto anni nello scenario esteso. L’articolo confronta quest’ultima precisione con la misura elettromagnetica disponibile per lo studio e la valuta circa cinque volte migliore.

Anche la distanza potrebbe trarre vantaggio dalla combinazione di informazioni elettromagnetiche e gravitazionali. Dopo due anni simulati, la precisione prevista sarebbe paragonabile a quella fornita allora dalle osservazioni elettromagnetiche; con una missione estesa, la misura potrebbe migliorare di un fattore 10. Gli autori aggiungono che il miglioramento potrebbe arrivare dopo circa un anno se un monitoraggio elettromagnetico prolungato consentisse di misurare meglio l’evoluzione orbitale. La stima presuppone che tale evoluzione sia dominata dall’emissione di onde gravitazionali, come previsto dalla relatività generale, e tiene conto dell’incertezza nella dissipazione mareale.

Combinare le osservazioni permetterebbe di unire informazioni diverse: l’analisi gravitazionale potrebbe misurare direttamente distanza e inclinazione e vincolare in modo indipendente la dinamica orbitale. Nel modello, i cambiamenti dell’orbita associati all’emissione gravitazionale potrebbero inoltre aiutare a separare parametri altrimenti difficili da distinguere. È una possibilità proposta dallo studio, non un risultato già osservato per questa sorgente.

La velocità della gravità e i limiti della previsione

I ricercatori hanno esaminato anche il confronto tra i tempi delle eclissi misurati elettromagneticamente e la fase iniziale del segnale gravitazionale. Nelle simulazioni, LISA potrebbe determinare quei tempi con una precisione inferiore a un secondo. Da questo confronto, l’articolo propone un nuovo vincolo: la velocità della gravità sarebbe entro 3,2 (2,1) × 10⁻¹² dalla velocità della luce. Questa è la notazione dell’articolo; non è una misura ottenuta per ZTFJ1539. Gli autori affermano che il vincolo sarebbe circa 1.000 volte più debole di quello ottenuto con le osservazioni gravitazionali ed elettromagnetiche congiunte di GW170817, pur riguardando frequenze e ambienti molto diversi.

I valori dipendono dai parametri elettromagnetici iniziali, dal modello del segnale, dalla durata simulata e dalle ipotesi dell’analisi. Per i restanti parametri gravitazionali liberi, gli autori hanno usato distribuzioni a priori uniformi. Hanno inoltre considerato la possibile presenza di altre sorgenti nella banda, anche se l’analisi principale era incentrata sulla sorgente obiettivo. L’articolo presenta quindi una valutazione prospettica condizionata da queste scelte, non il resoconto di un’osservazione reale.

In sintesi: lo studio del 2019 mostra come ZTFJ1539+5027 potrebbe aiutare a combinare osservazioni elettromagnetiche e dati di onde gravitazionali. Le simulazioni prevedono una sorgente rilevabile e possibili miglioramenti per inclinazione e distanza, oltre a un vincolo sulla velocità della gravità. La distinzione essenziale è che si tratta di proiezioni per LISA, non di rilevazioni o test già eseguiti con questa binaria.