Astronomia multimessenger, entra in squadra Ctao / Multi-Messenger Astronomy: Ctao Joins the Team
Astronomia multimessenger, entra in squadra Ctao / Multi-Messenger Astronomy: Ctao Joins the Team
Nove anni fa, era il 17 agosto 2017, la rivelazione contemporanea di onde elettromagnetiche – nella fattispecie, un lampo gamma – ed onde gravitazionali prodotte da un evento di fusione di due stelle di neutroni inaugurò la cosiddetta astronomia multimessaggera. Per la prima volta nella storia eravamo in grado di vedere – attraverso i telescopi – e contemporaneamente ascoltare – attraverso gli interferometri per onde gravitazionali – uno stesso fenomeno. Un’opportunità unica per comprenderne a tutto tondo la natura ed i processi fisici. Letteralmente unica: da allora non è mai più accaduto.
È dunque enorme l’attesa da parte degli scienziati per un secondo evento come quello del 2017. L’attesa e la preparazione: visto quanto sono rare queste opportunità, oltre agli interferometri – la cui rete nel frattempo si è ingrandita, con l’ingresso del giapponese Kagra a fianco di Ligo e Virgo – sono in perenne allerta tutti i più grandi telescopi da terra e dallo spazio. Soprattutto quelli per le alte energie, i primi a poter cogliere i bagliori d’un evento di fusione.
Nove anni fa, era il 17 agosto 2017, la rivelazione contemporanea di onde elettromagnetiche – nella fattispecie, un lampo gamma – e onde gravitazionali prodotte da un evento di fusione di due stelle di neutroni inaugurò la cosiddetta astronomia multimessaggera. Per la prima volta nella storia eravamo in grado di vedere – attraverso i telescopi – e contemporaneamente ascoltare – attraverso gli interferometri per onde gravitazionali – uno stesso fenomeno. Un’opportunità unica per comprenderne a tutto tondo la natura ed i processi fisici. Letteralmente unica: da allora non è mai più accaduto.
È dunque enorme l’attesa da parte degli scienziati per un secondo evento come quello del 2017. L’attesa e la preparazione: visto quanto sono rare queste opportunità, oltre agli interferometri – la cui rete nel frattempo si è ingrandita, con l’ingresso del giapponese Kagra a fianco di Ligo e Virgo – sono in perenne allerta tutti i più grandi telescopi da terra e dallo spazio. Soprattutto quelli per le alte energie, i primi a poter cogliere i bagliori d’un evento di fusione.
Telescopi ai quali potrebbero presto unirsi anche quelli per altissime energie di Ctao, il Cherenkov Telescope Array Observatory. Come mostra uno studio pubblicato oggi su The Astrophysical Journal, circa il cinque per cento dei lampi gamma corti associati a sorgenti di onde gravitazionali potrebbe – adottando una strategia ottimizzata – essere rilevato da Ctao nelle bande energetiche GeV–TeV. Ne parliamo con uno degli autori dello studio, Antonio Stamerra, astrofisico all’Inaf di Roma e coordinatore del Ctao-Gw team, il gruppo di lavoro del Consorzio Ctao dedicato all’osservazione ed al follow-up elettromagnetico degli eventi di onde gravitazionali ad altissime energie.
Stamerra, proviamo a ricostruire una possibile timeline per un futuro evento di fusione fra due stelle di neutroni. Chi lo vede per primo? Ma soprattutto chi lo riconosce per primo in quanto tale? Per Gw 170817 – l’evento del 17 agosto 2017 – fu il telescopio spaziale Fermi della Nasa, che diramò l’alert dopo 14 secondi. Al gruppo del rivelatore di onde gravitazionali Ligo furono necessari una quarantina di minuti. Ctao che tempi avrebbe avuto? Sarà più uno strumento da alert o da follow-up?
«Partiamo anzitutto ricordando che la fusione tra due stelle di neutroni – stelle con masse simile al Sole, ma estremamente compatte, tipicamente con un raggio di circa dieci km – produce onde gravitazionali che sono rivelate da interferometri gravitazionali come Virgo, a Pisa, e Ligo, negli Stati Uniti. Ci si aspetta che da questa fusione emerga una controparte elettromagnetica – una radiazione – nel radio, ottico, raggi X o gamma. I telescopi che possono osservare rapidamente una controparte elettromagnetica sono gli strumenti a grande campo, come appunto gli strumenti a bordo del satellite Fermi che per primo identificò il gamma ray burst associato all’allerta gravitazionale di Gw 170817.
Questi telescopi, una volta rivelata un’emissione nella stessa finestra temporale dell’evento transiente a onde gravitazionali, informano la comunità astronomica con allerte automatiche, entro decine di secondi, fornendo la posizione – spesso approssimativa, come lo è quella fornita dagli interferometri gravitazionali. Dopo l’evento del 2017, fino alla recente campagna osservativa terminata a novembre 2025, gli interferometri per onde gravitazionali rilasciano anch’essi l’informazione sull’evento entro decine di secondi ma, appunto, con un’incertezza sulla posizione di molti gradi quadri. Questo è un punto cruciale che ha portato molti telescopi a sviluppare tecniche che permettano di coprire la zona di incertezza fornita dall’evento di onde gravitazionali ottimizzando tempi e sensibilità, in modo da massimizzare la probabilità di rivelazione della controparte ottica, X o – come nel caso di Ctao – nei raggi gamma.
Ctao è stato progettato per reagire a queste allerte immediatamente, e per poter ripuntare velocemente – nell’ordine di poche decine di secondi – qualunque parte del cielo. Pensiamo che i telescopi di Ctao vanno da un diametro minimo di 4 metri (è il caso dei “piccoli” telescopi, come il telescopio Astri sviluppato dall‘Inaf) fino a 23 metri. La matrice di telescopi di Ctao lavorerà dunque primariamente nel follow-up di questi eventi estremi, ma potrà a sua volta generare alert multimessenger se dovesse identificare un transiente gamma compatibile temporalmente e spazialmente con un evento di onde gravitazionali».
Quelli prodotti durante la fusione fra due stelle di neutroni sono i cosiddetti short Grb: lampi di raggi gamma brevissimi, meno di due secondi. Se questo vale anche alle energie alle quali è sensibile Ctao, come potranno mai i suoi telescopi – con un tempo di puntamento, ci diceva, di decine di secondi – fare in tempo ad intercettarli?
«Durante la loro danza terminale di fusione, a causa dell’intensità delle forze gravitazionali in gioco le due stelle di neutroni si deformano. Si forma un guscio di nuclei radioattivi che si espande e due getti contrapposti, dove la materia viene lanciata a velocità relativistiche (prossime alla velocità della luce). È il loro modo per liberarsi dell’energia gravitazionale accumulata. Si producono così effetti osservabili: una kilonova, l’emissione di radiazione dal decadimento dei nuclei, e il gamma-ray burst (Grb), con un’emissione prompt (1-2 secondi dopo la fusione) e una afterglow molto più lunga. Già da tempo sospettavamo, da numerosi indizi, che gli short Grb, brevi perché durano meno di un paio di secondi, fossero associati alla fusione di oggetti compatti, come due stelle di neutroni. Il famoso evento Gw-Grb 170817 ci ha fornito la prova diretta, con un caveat: l’angolo del getto. È questo uno degli elementi cruciali che può determinare (o impedire…) la rivelazione da parte di Ctao di uno di questi eventi di onde gravitazionali».
In che senso?
«I Grb che si osservano regolarmente hanno il getto quasi allineato con noi, con l’osservatore. Per questo appaiono particolarmente brillanti a tutte le frequenze, incluse quelle in cui osserva Ctao, ovvero i raggi gamma con energie tra diversi gigaelettronvolt (un GeV corrisponde a miliardi di elettronvolt, mentre un eV è l’energia tipica della luce visibile), fino a decine di teraelettronvolt (TeV, vale a dire mille GeV). E infatti i telescopi Cherenkov attualmente operativi, come Magic e Hess, hanno rivelato diversi Grb, tutti lunghi (della durata di diverse decine di secondi, ma con anche un indizio su uno short Grb, Grb 160821B).
Nel caso dei Grb associati a fusioni di stelle di neutroni rivelati con le onde gravitazionali, il problema è che il segnale gravitazionale dei sistemi binari rivelato dagli interferometri dipende poco dal loro orientamento. Quindi il getto che si forma è nella maggior parte dei casi (l’87 per cento, nelle simulazioni dello studio che abbiamo appena pubblicato) non allineato con la nostra visuale e la sua emissione è estremamente meno luminosa di un Grb che puntasse il getto verso di noi. Nel caso di Gw 170817 questo angolo era di circa 30 gradi, da confrontare con l’apertura del getto stesso, di appena pochi gradi. Questo può spiegare perché i telescopi Cherenkov e anche il telescopio gamma Fermi-Lat, che hanno potuto osservare la controparte, non hanno rivelato emissione gamma GeV da Gw 170817»
Ecco, infatti, è una domanda che volevo farle: il follow-up di Gw 170817 con Magic non ebbe successo, quello con Hess nemmeno. Perché Ctao dovrebbe avere più possibilità?
«La risposta diretta è che Ctao, grazie all’esteso intervallo di energie che può esplorare – da 20 GeV a 300 TeV – e grazie al numero di telescopi ed alla loro dimensione, ha migliorato la sensibilità raggiungibile, fino a un fattore 10 rispetto agli strumenti attuali (che significa diminuire di un fattore circa 100 il tempo di osservazione per rivelare una stessa sorgente). Quindi, Ctao ha maggiori possibilità di osservare eventi deboli, o di accumulare la statistica necessaria per degli studi più approfonditi su questi oggetti.
Ma aggiungo una cosa che pochi, anche tra gli esperti, conoscono. Nell’evento Gw 170817 i telescopi Hess (ricordiamo che Magic non osservò perché la regione di cielo non era sufficientemente alta alla latitudine in cui si trova) furono i primi telescopi a terra, poche ore dopo l’evento, a osservare la regione dove poi è stata identificata la controparte ottica, fornendo utili limiti superiori al flusso. Questo dimostra che già allora i telescopi Cherenkov, e ancora di più Ctao, sono pronti a reagire a questi eventi, se vengono implementate le giuste strategie per osservarli.
A ogni modo, il lavoro che abbiamo svolto ci mostra che la probabilità di osservare un segnale gamma GeV-TeV da un evento è bassa, in particolare a causa della preponderanza di eventi con getti ad alto angolo. Nello stesso tempo, il fatto che gli eventi di fusione di stelle di neutroni rilevabili con Lvk (Ligo-Virgo-Kagra) sono a distanze relativamente piccole (almeno in scala cosmologica, meno di 500 Mpc, vale a dire meno di 1,6 miliardi di anni luce), favorisce eventi che possono avere un flusso elevato. Il nostro studio, con i modelli di emissione TeV assunti ed una strategia di osservazione ottimizzata, mostra che il 5 per cento dei 2307 eventi simulati è rilevabile con Ctao. Tuttavia, quando inseriamo anche il numero di fusioni di stelle di neutroni osservabili dagli interferometri (un numero ancora molto incerto, considerando che pochissimi di questi eventi sono stati osservati da Lvk) con la probabilità di avere effettivamente un Grb che forma getti, il numero di eventi effettivamente rilevabili da Ctao è incerto, ma si stima che si riduca a meno di uno per anno. Va però considerato che anche le osservazioni senza rivelazione di segnale possono fornire indicazioni utili ai modelli, grazie ai limiti superiori che possono fornire sul flusso».
Come avverranno, queste osservazioni? Intendo, con quali dei telescopi di Ctao? I large, i medium o gli small? O tutti insieme?
«Ctao ha la possibilità di ripuntare i suoi telescopi – i piccoli, i medi e i grandi da 23 metri – in poche decine di secondi. La sfida non è sul tempo ma sul dove puntare. Nel lavoro svolto in questi anni dal nostro gruppo del Consorzio Ctao, quello pubblicato oggi, abbiamo cercato di capire la migliore sequenza di puntamenti da effettuare per coprire la regione d’incertezza fornita dagli interferometri, ovvero abbiamo ottimizzato la strategia di puntamento. Il nostro obiettivo non era solo ottimizzare la strategia per migliorare le chances di rivelazione, ma cercare di capire quale di queste strategie ci permetteva di ricostruire la migliore informazione dall’osservazione. In questo ci viene in aiuto il sistema di analisi in tempo reale sviluppato da Ctao, in cui l’Inaf ha avuto e ha un ruolo determinante.
In base alle strategie studiate, la più efficace risulta quella di tappezzare (tiling) la regione con una sequenza di puntamenti di 5 minuti. Il sistema di analisi in tempo reale è dedicato ad analizzare i campi di cielo osservati ed ad evidenziare un segnale all’interno del campo di vista (che va da circa 4.5 gradi di diametro per i telescopi più grandi a 10 gradi per quelli più piccoli). Se viene identificato un segnale, la sequenza di puntamento si blocca in quella posizione e l’osservazione continua accumulando il segnale, al fine di massimizzare l’informazione da analizzare. Nello stesso tempo, Ctao può inviare in maniera automatica un’allerta per informare altri osservatori. Perché nelle osservazioni di eventi transienti il tempo è tutto».
E nel corso di questo “tappezzamento” punteranno tutti nella stessa direzione, come un array interferometrico, o ciascuno in una direzione diversa, per coprire un’area di cielo più ampia?
«Questa è una domanda molto interessante e con notevoli risvolti, con prospettive che sono attualmente in fase di valutazione. Lo studio che abbiamo svolto utilizza Ctao in modalità “convergente”, cioè con i telescopi che puntano tutti nella stessa direzione. Allo stesso tempo, il sistema può utilizzare le diverse classi di telescopi – large, medium e small – su diverse aree. Certo, le diverse classi coprono energie diverse: decine di GeV i telescopi large, oltre il TeV quelli small. Tuttavia, considerando che il numero di telescopi medium e small e nell’ordine delle decine, da tempo si sta studiando una modalità diversa di osservazione, la modalità “divergente”. Ovvero ogni telescopio punta una regione diversa, in modo da poter ricoprire anche l’intera area di incertezza dell’evento di onde gravitazionali. Va però messo in conto che in questa modalità la sensibilità dello strumento diminuisce, ovvero il minimo flusso rivelabile aumenta. Abbiamo dunque un compromesso tra il tempo necessario a coprire la regione con diversi tasselli, durante il quale la luminosità della controparte diminuisce, e la possibilità di coprire tutta la regione immediatamente, quando il flusso della sorgente è al massimo. Gli studi su questi casi sono in corso, ed il lavoro appena pubblicato servirà certamente come punto solido su cui basare il lavoro successivo».
Quando inizieranno le osservazioni? Mi par di capire che vorreste entrare già nel run O5 di Lvk. Per allora di quanti e di quali telescopi funzionanti disporrà, Ctao? Saranno tutti già predisposti per entrare in modalità follow-up appena ricevuto un alert di onde gravitazionali?
«La prossima campagna osservativa di Ligo-Virgo (e forse si unirà anche l’interferometro in costruzione in Giappone, Kagra) è prevista per fine 2028, inizi 2029. Ctao al momento prevede di integrare nell’osservatorio il primo telescopio large che già opera a La Palma e gli altri tre già costruiti e pronti alla loro fase di commissioning. A questi si aggiungeranno i telescopi previsti per il sito sud, a Serra Armazones, in Cile. Tra questi ci saranno i due telescopi large (Lst) che il progetto Pnrr Cta+, guidato dall’Inaf, sta costruendo e spedirà al sito per gli inizi del prossimo anno, dopo aver superato le fasi di test in Italia. Infine, sono pronti a essere spediti anche gli small size telescopes (Sst) ed alcuni dei medium (Mst). Insomma, per il 2028-2029, all’inizio delle nuove operazioni dell’Igwn (l’International Gravitational-Wave Observatory Network, istituito recentemente riunendo le diverse collaborazioni) prevediamo di avere già dei telescopi che possono operare ed osservare gli eventi gravitazionali, e di mettere in campo, testandole e migliorandole, le strategie osservative che abbiamo studiato nel lavoro che è stato pubblicato oggi su The Astrophysical Journal e che servirà come base per ulteriori studi nel prossimo futuro».
ENGLISH
If, during the next run of gravitational-wave observations, we once again witness the merger of two neutron stars, the very high-energy telescopes of the Cherenkov Telescope Array Observatory will be among the telescopes collecting data. We discussed this with the coordinator of the CTAO-GW team, Antonio Stamerra, an astrophysicist at INAF in Rome.
Nine years ago, on August 17, 2017, the simultaneous detection of electromagnetic waves—specifically, a gamma-ray burst—and gravitational waves produced by a merger of two neutron stars ushered in so-called multimessenger astronomy. For the first time in history, we were able to simultaneously see—through telescopes—and hear—through gravitational-wave interferometers—the same phenomenon. A unique opportunity to fully understand its nature and physical processes. Literally unique: it has never happened again since.
Scientists are therefore eagerly anticipating a second event like the one in 2017. The anticipation and preparation: given how rare these opportunities are, in addition to interferometers—whose network has since expanded with the addition of the Japanese KAGRA telescope alongside LIGO and Virgo—all the largest telescopes on the ground and in space are on constant alert. Especially the high-energy ones, the first to be able to detect the first glimpses of a merger event.
Nine years ago, on August 17, 2017, the simultaneous detection of electromagnetic waves—specifically, a gamma-ray burst—and gravitational waves produced by the merger of two neutron stars ushered in so-called multimessenger astronomy. For the first time in history, we were able to simultaneously see—through telescopes—and hear—through gravitational-wave interferometers—the same phenomenon. A unique opportunity to fully understand its nature and physical processes. Literally unique: it has never happened again since.
Scientists are therefore eagerly awaiting a second event like the one in 2017. The anticipation and preparation: given how rare these opportunities are, in addition to interferometers—whose network has since expanded, with the addition of the Japanese KAGRA telescope alongside LIGO and Virgo—all the largest telescopes on the ground and in space are on constant alert. Especially the high-energy ones, the first to be able to detect the flashes of a merger event.
These telescopes could soon be joined by the very high-energy telescopes of the Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). As a study published today in The Astrophysical Journal shows, approximately five percent of short gamma-ray bursts associated with gravitational-wave sources could—with an optimized strategy—be detected by CTAO in the GeV–TeV energy bands. We discussed this with one of the study's authors, Antonio Stamerra, an astrophysicist at INAF in Rome and coordinator of the CTAO-GW team, the CTAO Consortium working group dedicated to the observation and electromagnetic follow-up of very high-energy gravitational wave events.
Stamerra, let's try to reconstruct a possible timeline for a future merger between two neutron stars. Who saw it first? And above all, who recognized it first? For GW 170817—the event of August 17, 2017—it was NASA's Fermi Space Telescope, which issued the alert after 14 seconds. The LIGO gravitational wave detector team needed about forty minutes. How long would CTAO have taken? Will it be more of an alert or follow-up instrument?
Let's start by recalling that the merger of two neutron stars—stars with masses similar to the Sun, but extremely compact, typically with a radius of about ten kilometers—produces gravitational waves that are detected by gravitational interferometers such as Virgo, in Pisa, and LIGO, in the United States. This merger is expected to release an electromagnetic counterpart—radiation—in the radio, optical, X-ray, or gamma-ray range. Telescopes that can rapidly observe an electromagnetic counterpart are wide-field instruments, such as the instruments aboard the Fermi satellite that first identified the gamma-ray burst associated with the gravitational alert from GW 170817.
These telescopes, once they detect an emission in the same time window as the gravitational-wave transient event, inform the astronomical community with automatic alerts within tens of seconds, providing the position—often approximate, like that provided by gravitational-wave interferometers. After the 2017 event, until the recent observing campaign that ended in November 2025, gravitational-wave interferometers also released information on the event within tens of seconds, but with a position uncertainty of many square degrees. This is a crucial point that has led many telescopes to develop techniques that allow them to cover the uncertainty zone provided by the gravitational-wave event by optimizing timing and sensitivity, thus maximizing the probability of detecting the optical counterpart, whether X-rays or—as in the case of CTAO—gamma rays.
CTAO was designed to react to these alerts immediately and to be able to quickly re-point—on the order of a few tens of seconds—any part of the sky. We believe that CTAO's telescopes range from a minimum diameter of 4 meters (this is the case for "small" telescopes, such as the ASTRI telescope developed by INAF) up to 23 meters. CTAO's telescope array will therefore work primarily to monitor these extreme events, but it will also be able to generate multimessenger alerts if it identifies a gamma-ray transient compatible in time and space with a gravitational wave event.
The gamma-ray bursts produced during the merger of two neutron stars are so-called short GRBs: very brief gamma-ray bursts, lasting less than two seconds. If this also applies to the energies to which CTAO is sensitive, how will its telescopes—with a pointing time, as you told us, of tens of seconds—ever have time to intercept them?
During their terminal merger dance, the two neutron stars deform due to the intensity of the gravitational forces at play. An expanding shell of radioactive nuclei forms, followed by two opposing jets, where matter is ejected at relativistic speeds (close to the speed of light). This is their way of releasing the accumulated gravitational energy. This produces observable effects: a kilonova, the emission of radiation from the decay of the nuclei, and a gamma-ray burst (GRB), with a prompt emission (1-2 seconds after the fusion) and a much longer afterglow. We have long suspected, based on numerous indications, that short GRBs—short because they last less than a couple of seconds—were associated with the merger of compact objects, such as two neutron stars. The famous GW-GRB 170817 event provided us with direct evidence, with one caveat: the angle of the jet. This is one of the crucial elements that can determine (or prevent...) the detection by CTAO of one of these gravitational wave events.
In what sense?
The GRBs observed regularly have their jets almost aligned with us, with the observer. This is why they appear particularly bright at all frequencies, including those observed by CTAO, which are gamma rays with energies ranging from several gigaelectronvolts (one GeV corresponds to billions of electronvolts, while one eV is the typical energy of visible light) to tens of teraelectronvolts (TeV, or a thousand GeV). Indeed, currently operating Cherenkov telescopes, such as MAGIC and HESS, have detected several GRBs, all long (lasting several tens of seconds, but also with a hint of a short GRB, GRB 160821B).
In the case of GRBs associated with neutron star mergers detected with gravitational waves, the problem is that the gravitational signal from binary systems detected by interferometers depends little on their orientation. So the jet that forms is in most cases (87 percent, in the simulations of the study we just published) not aligned with our line of sight, and its emission is much less bright than a GRB pointing its jet toward us. In the case of GW 170817, this angle was about 30 degrees, compared to the aperture of the jet itself, which is just a few degrees. This may explain why the Cherenkov telescopes and the Fermi-Lat gamma-ray telescope, which were able to observe its counterpart, did not detect GeV gamma-ray emission from GW 170817.
In fact, this is a question I wanted to ask you: the follow-up to GW 170817 with Magic was unsuccessful, and the one with Hess was not. Why should CTAO have a better chance?
The direct answer is that CTAO, thanks to the broad energy range it can explore—from 20 GeV to 300 TeV—and the number and size of its telescopes, has improved its achievable sensitivity by up to a factor of 10 compared to current instruments (which means reducing the observation time to detect the same source by a factor of about 100). Therefore, CTAO has a greater chance of observing faint events or accumulating the statistics needed for more in-depth studies of these objects.
But I'll add something that few, even among experts, know. In the GW 170817 event, the Hess telescopes (remember, Magic didn't observe because the region of the sky wasn't high enough at its latitude) were the first ground-based telescopes, a few hours after the event, to observe the region where the optical counterpart was later identified, providing useful upper limits on the flux. This demonstrates that Cherenkov telescopes, and even more so CTAO, are already ready to respond to these events if the right observation strategies are implemented.
In any case, our work shows that the probability of observing a GeV-TeV gamma-ray signal from an event is low, particularly due to the preponderance of events with high-angle jets. At the same time, the fact that neutron star mergers detectable with LIGO-Virgo-Kagra (LVK) are at relatively small distances (at least on a cosmological scale, less than 500 Mpc, or less than 1.6 billion light-years) favors events that can have a high flux. Our study, with the assumed TeV emission models and an optimized observation strategy, shows that 5 percent of the 2,307 simulated events are detectable with CTAO. However, when we also include the number of neutron star mergers observable by interferometers (a number that is still highly uncertain, considering that very few of these events have been observed by LVK) with the probability of actually having a GRB forming jets, the number of events actually detectable by CTAO is uncertain, but it is estimated to be less than one per year. However, it should be considered that even observations without detecting a signal can provide useful information for models, thanks to the upper limits they can provide on the flux.
How will these observations be made? I mean, with which of CTAO's telescopes? The large, medium, or small ones? Or all of them together?
CTAO has the ability to re-point its telescopes—the small, medium, and large 23-meter telescopes—in a few tens of seconds. The challenge is not about time but about where to aim. In the work conducted over the years by our CTAO Consortium team, published today, we sought to understand the best pointing sequence to perform to cover the uncertainty region provided by the interferometers; that is, we optimized the pointing strategy. Our goal was not only to optimize the strategy to improve detection chances, but also to understand which of these strategies allowed us to reconstruct the best information from the observation. The real-time analysis system developed by CTAO, in which INAF has played and continues to play a key role, helps us in this.
Based on the strategies studied, the most effective is to tile the region with a sequence of 5-minute pointings. The real-time analysis system is dedicated to analyzing the observed sky fields and highlighting a signal within the field of view (which ranges from approximately 4.5 degrees in diameter for larger telescopes to 10 degrees for smaller ones). If a signal is identified, the pointing sequence locks in that position and the observation continues, accumulating the signal to maximize the information for analysis. At the same time, CTAO can automatically send an alert to inform other observatories. Because in the observation of transient events, timing is everything.
And during this "patchwork," will they all point in the same direction, like an interferometric array, or will each point in a different direction, to cover a larger area of sky?
This is a very interesting question with significant implications, with prospects that are currently being evaluated. The study we conducted uses CTAO in "convergent" mode, that is, with the telescopes all pointing in the same direction. At the same time, the system can use the different classes of telescopes—large, medium, and small—over different areas. Of course, the different classes cover different energies: the large telescopes reach tens of GeV, the small ones over a TeV. However, considering that the number of medium and small telescopes is in the order of dozens, a different observation mode, the "divergent" mode, has been studied for some time. That is, each telescope points to a different region,
This is a very interesting question with significant implications, with prospects currently being evaluated. The study we conducted uses CTAO in "convergent" mode, meaning all telescopes are pointing in the same direction. At the same time, the system can utilize the different classes of telescopes—large, medium, and small—over different areas. Of course, the different classes cover different energies: large telescopes reach tens of GeV, small telescopes reach over a TeV. However, considering that the number of medium and small telescopes is in the dozens, a different observation mode, the "divergent" mode, has been under study for some time. That is, each telescope points to a different region, so as to be able to cover the entire uncertainty area of the gravitational wave event. However, it must be taken into account that in this mode, the instrument's sensitivity decreases, meaning the minimum detectable flux increases. We therefore have a compromise between the time needed to cover the region with several tiles, during which the brightness of the counterpart decreases, and the possibility of covering the entire region immediately, when the source's flux is at its maximum. Studies on these cases are ongoing, and the recently published work will certainly serve as a solid basis for future work.
When will observations begin? I understand you'd like to start the LVK O5 run already. How many and which operating telescopes will CTAO have by then? Will they all be set up to enter follow-up mode as soon as a gravitational wave alert is received?
The next LIGO-Virgo observing campaign (and perhaps the interferometer under construction in Japan, Kagra, will also join) is scheduled for late 2028, early 2029. CTAO currently plans to integrate the first large telescope, already operating on La Palma, into the observatory, along with the other three already built and ready for their commissioning phase. These will be joined by the telescopes planned for the southern site, at Serra Armazones, in Chile. These include the two large telescopes (LSTs) that the PNRR CTA+ project, led by INAF, is building and will ship to the site early next year, after completing the testing phase in Italy. Finally, the small-size telescopes (SSTs) and some of the medium-size telescopes (MSTs) are also ready to be shipped. In short, by 2028-2029, at the start of the new operations of the IGWN (the International Gravitational-Wave Observatory Network, recently established by bringing together the various collaborations), we expect to already have telescopes capable of operating and observing gravitational events, and to implement, test, and improve the observational strategies we studied in the paper published today in The Astrophysical Journal, which will serve as the basis for further studies in the near future.
Da:
https://www.media.inaf.it/2026/06/03/ctao-followup-ns-ns-merging/
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