“Sottile è il Signore, ma non malizioso” (Albert Einstein). “Il luogo della solitudine dove tre sogni s’incrociano. Fra rocce azzurre” (T.S. Eliot, Ash Wednesday). Wow! È ufficiale. “We’ve detected gravitational waves”, annuncia Kip Thorne. È il “suono” infinitesimale della Gravità che è una conseguenza della Curvatura dello spaziotempo. È la prima luce sulle “note” della creazione continua di spaziotempo. Le altissime onde gravitazionali dello scienziato europeo Albert Einstein, esistono in Natura, viaggiano alla velocità della luce e, associate ai Gravitoni, sono la fabbrica dello spaziotempo. Tre masse solari di onde gravitazionali, per la prima volta, avrebbero gentilmente investito la Terra per poi essere osservate direttamente dall’Osservatorio LIGO (www.ligo.org/) del visionario geniale fisico americano Kip Thorne, nella fusione (merging) avvenuta 1.3 miliardi di anni fa, in una ancora imprecisata lontana galassia dello spazio cosmico australe, tra due Buchi Neri di 36 e 29 masse solari nel Buco Nero risultante di 62 (e non 65) masse solari, con 3 m.s. di energia convertite in onde gravitazionali (evento GW150914). È la prova regina del fatto che la mela di Newton posta nella vicinanze di un sistema di stelle che ruotano una attorno all’altra (un sistema binario di Buchi Neri) comincia a oscillare! Una scoperta frutto della collaborazione di oltre mille scienziati del Caltech, del MIT e del team LIGO-Virgo. Livello di confidenza di LIGO: 5,1. Pari al 99,9%. Illuminato a giorno il Laboratorio di Einstein ideale! Ma non bastano le orecchie vulcaniane del Signor Spock, per ascoltarle. Bisogna fare un lavoro certosino di squadra. L’esperimento LIGO rivela un segnale gravitazionale di notevole intensità ma non è in grado di decifrare la direzione di arrivo. Tuttavia grazie a Kip Thorne nasce ufficialmente l’Astrofisica Gravitazionale. Esattamente 100 anni dopo la predizione scientifica di Albert Einstein pubblicata nella sua Teoria della Gravitazione del 1916 e due anni dopo il colossal Interstellar di Christopher Nolan (soggetto ed equazioni di Kip Thorne). Le “religiose” sonorità di Hans Zimmer le sono sicuramente congeniali. L’annuncio ufficiale della National Science Foundation a Washington Dc (Usa), Giovedì 11 Febbraio 2016, consegna all’Umanità la più grande scoperta scientifica di sempre, prodromica a quella dei Gravitoni, le particelle della Forza di Gravità, e del volo interstellare. Cofondato nel 1992 da Kip Thorne e Ronald Drever (scozzese) del Caltech e Rainer Weiss (tedesco) del MIT, l’Osservatorio LIGO, due tunnel fotonici ortogonali a “L” lunghi 4 per 4 Km, scrive così la prima Summa dell’Astrofisica, consacrando Einstein nel firmamento della Verità. Le onde gravitazionali sono state rivelate il 14 Settembre 2015, alle 10:50:45 ora italiana (09:50:45 UTC, 05:50:45 am EDT) da entrambi gli strumenti gemelli Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), negli Stati Uniti, a Livingston in Louisiana e a Hanford nello stato di Washington. Gli osservatori LIGO, finanziati dalla National Science Foundation (NSF) e operati da Caltech e MIT, hanno registrato l’arrivo delle onde gravitazionali entro una finestra temporale di coincidenza di 10 millisecondi. I due Buchi Neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce. L’osservazione di LIGO conferma anche l’esistenza di sistemi binari di Buchi Neri di massa stellare, in particolare aventi massa maggiore di 25 masse solari. Il processo di fusione dei due buchi neri responsabile delle onde gravitazionali rivelate è un evento accaduto a 410 megaparsec da noi, e risale quindi a quasi un miliardo e mezzo di anni fa, quando sulla Terra facevano la loro comparsa le prime cellule evolute in grado di utilizzare l’Ossigeno. In 100 secondi i due Buchi Neri hanno emesso tre masse solari di onde gravitazionali, ossia 10 alla 30ma potenza di chilogrammi che moltiplicato per il quadrato della velocità della luce (10E17 metri al secondo) rilasciano qualcosa come 10E48 joules, ossia 10E46 watts, come dire un’energia 10E44 volte più potente di quella emessa dal sistema Terra-Sole. Viviamo sulla Terra che ruota attorno a una stella, il Sole. La Terra ha un raggio di circa 6.400 Km e una massa pari a 6mila miliardi di miliardi di tonnellate (6 x 10E24 Kg) mentre il raggio del Sole è circa 100 volte quello della Terra (700mila km) e la sua massa è 300mila volte maggiore (2 x 10E30 Kg). In questo sistema abbiamo due corpi massicci che ruotano attorno ad un centro di massa comune, in particolare la Terra ruota attorno al Sole ad una velocità di circa 30 Km al secondo. Questo moto corrisponde all’emissione di onde gravitazionali con una potenza pari a 200 Watt. Questo significa che l’energia legata all’emissione in onde gravitazionali del sistema Terra-Sole sarebbe sufficiente ad alimentare un paio di lampadine da 100 Watt. Il sistema di due Buchi Neri rivelato da LIGO svela le potenzialità dell’Universo. In un lasso di tempo pari a circa 100 secondi il sistema ha rilasciato l’equivalente di 3 masse solari, ovvero circa 10E30 Kg in onde gravitazionali. Proviamo ora a calcolare un’altra caratteristica dell’oggetto rimasto in seguito alla coalescenza: il suo Raggio di Schwarzschild. In modo euristico e semiclassico, tale lunghezza corrisponde al raggio della sfera per cui, se tutta la massa di un corpo sferico venisse compressa entro quel raggio, la velocità di fuga dalla sua superficie sarebbe equivalente alla velocità della luce. Applicando la Relatività Generale, il Raggio di Schwarzschild individua precisamente la superficie che corrisponde all’Orizzonte degli Eventi di un Buco Nero di massa assegnata. Il Sole ha un Raggio di Schwarzschild di circa 3 Km, quello della Terra è di 8.8 millimetri, mentre quello di un oggetto con una massa 62 volte quella del Sole, è di 185 Km. Più o meno la distanza tra Roma e Napoli. Poichè i due Buchi Neri coalescenti erano molto più pesanti, più veloci e più vicini, hanno emesso 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 volte più energia al secondo in onde gravitazionali rispetto alle reali potenzialità del sistema Terra-Sole. È impressionante l’abilità dell’Universo di produrre immense quantità energia in maniera estremamente efficiente, senza sprechi. Il raggio del Buco Nero rotante (Kerr) risultante dalla fusione, non proprio colossale come il “gentile” Gargantua, dunque si aggirerebbe sui 185 Km, misurato dalla superficie dell’Orizzonte degli Eventi. Una grossa bestia dall’enorme potere distruttivo. Da far impallidire il nostro Sole che, come Buco Nero, non supererebbe i 3 Km di raggio. Nessuno potrebbe sopravvivere nelle immediate vicinanze del Buco Nero di Kip Thorne e colleghi: sarebbero le stesse onde gravitazionali a farvi a pezzi, spaghettificandovi ben prima di raggiungere il “confine” con all’interno la micidiale Singolarità magari “fluttuante” tra universi paralleli. Siamo sempre nel campo delle ipotesi, come spiega Kip Thorne nel suo libro Interstellar, tuttavia una pletora di considerazioni astrofisiche sono sempre possibili. L’Entropia del mostro in questione “udito” da LIGO (S=A/4G) è assolutamente quantificabile in 10E80 bits. Il cervello umano ne può immagazzinare 10E16, anche per ricordare questo articolo. Per evaporare nel nulla, un simile Buco Nero impiegherà un tempo lunghissimo, ma non infinito, di 10E120 volte il Tempo di Planck, ossia 10E77 secondi, un po’ meno di 10E70 anni. Un’epoca remota in cui l’Universo oscuro avrà molte meno stelle di oggi e tutte rosse. Se la scoperta delle onde gravitazionali merita il premio Nobel, magari proprio nell’anno di Einstein AD 2016, visto il superamento della “deadline” del 31 Gennaio, gli scienziati avranno sicuramente escogitato qualcosa in nome della Radiazione di Hawking e delle infinite possibilità offerte dallo spaziotempo nel Tesseratto, estrapolazioni alla Interstellar permettendo. Il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) è un sistema quantistico ottico-fotonico estremamente delicato, costituito da due identici rivelatori sensibili al passaggio delle onde gravitazionali, appositamente concepito e realizzato dai ricercatori del MIT e del Caltech, finanziato dalla National Science Foundation statunitense, con i significativi contributi di altri partner americani e internazionali come l’UK Science and Technology Facilities Council, la Max Planck Society di Germania e l’Australian Research Council. Gli Osservatori gemelli di LIGO sono installati a Livingston in Louisiana e Hanford nello Stato di Washington, siti separati da tremila chilometri. L’intera comunità scientifica mondiale dei fisici partecipa entusiasta all’analisi dei dati, inclusi LSC e le collaborazioni anglo-germanica Ego600 e italiana Virgo di Cascina (Pisa), due tunnel fotonici ortogonali a “L” 2 per tre Km. Le onde gravitazionali rappresentano la nuova frontiera della ricerca in Fisica e Astronomia. Gli scienziati sanno che esistono. Da decenni inseguono il sogno di rivelare direttamente queste increspature dello spaziotempo attraverso la misurazione della minuscola variazione di lunghezza che il loro passaggio provoca nel braccio fotonico di un rivelatore ultrasensibile. L’avventura inizia negli Anni ’60 con Joseph Weber, il mitico “Gravity Joe”, che ben presto scopre come rivelare un’onda in grado ritmicamente di stirare e comprimere quantità infinitesimali di spaziotempo. La sua è una misura delicatissima perché qualsiasi vibrazione terrestre (il motore su una lontana autostrada, un treno, un sisma, le onde oceaniche distanti centinaia di chilometri) e/o spaziale (lunamoti) ha un effetto più grande di quello causato dal passaggio di un’onda gravitazionale. Isolare da ogni disturbo esterno i rivelatori è sempre stata una sfida al limite del possibile. Gli sforzi di Gravity Joe non vengono gettati alle ortiche perché ispirano la nuova generazione di rivelatori di onde gravitazionali pensati per avere dimensioni sempre più grandi, quindi molto più sensibili, capaci di rivelare segnali molto più deboli, ma sempre soggetti a errori fisici sistematici di misura e molto più difficili da isolare dall’ambiente circostante. La sfida si può vincere solo combinando i risultati di Osservatori gravitazionali piazzati in angoli diversi della Terra e dello spazio. Mentre i disturbi saranno diversi, un eventuale segnale reale di onde gravitazionali verrà registrato da tutti in una ordinata sequenza temporale. In effetti, analizzando qual’è il rivelatore che registra prima il segnale, è possibile avere un’idea grossolana, ma sempre utile, sulla direzione di provenienza dell’onda gravitazionale. La comunità mondiale dei fisici si dota così di rivelatori diversi. Due gemelli negli Stati Uniti d’America (LIGO), Virgo in Italia, nella campagna di Pisa, entrambi recentemente potenziati per aumentarne la sensibilità. Entrambi dotati di fasci laser sottovuoto che possono tollerare sollecitazioni di 10E-20 metri, ossia 10 miliardi di volte più corte del raggio atomico. Come dire che per “ascoltarle”, le onde gravitazionali devono essere state prodotte da eventi astrofisici notevoli. LIGO ha ripreso a funzionare nel Settembre 2015 per un primo periodo di prova. A Gennaio 2016 è stato spento per continuare il potenziamento che richiede ancora qualche mese. Virgo non ha ancora ripreso l’attività. Quando entrambi funzioneranno insieme, all’unisono, gli scienziati disporranno del primo Osservatorio globale terrestre per la rilevazione diretta di onde gravitazionali. Osservare le increspature dello spaziotempo è un grande passo avanti per la Scienza e la Tecnologia. Capire quale oggetto celeste sia responsabile dell’emissione è sempre decisivo: una Supernova non troppo lontana? La coalescenza di due stelle di neutroni che orbitano l’una intorno all’altra in un sistema binario sempre più stretto? La coalescenza di due Buchi Neri? Si tratta di fenomeni che possono produrre anche emissioni elettromagnetiche nelle onde radio, nell’ottico, nei raggi X e nei raggi gamma. Per questo la comunità scientifica delle onde gravitazionali ha preso accordi con i numerosi Osservatori astrofisici per preparare tutta una rete di telescopi e di rivelatori pronti a orientarsi all’annuncio della possibile rivelazione di un inequivocabile segnale gravitazionale. Tutti insieme. Ciascuno secondo la sua lunghezza d’onda. Per poter giocare la partita insieme, bisogna accettare la consegna del silenzio, cioè lo spirito di squadra! Sono le regole vitali della libera Scienza che non contempla eccezioni, al netto degli errori di misura. Vi dico in anticipo da dove ho visto provenire il segnale gravitazionale o quello che assomiglia a ciò che ci si aspetta, e voi tenendo la bocca rigorosamente chiusa usate i vostri strumenti per andare a verificare se, in quella fettina di cielo, è successo qualcosa di gravitazionalmente anomalo. Sempre che la fortuna arrida agli audaci e non volti le spalle all’Umanità. Dopo i molti tentativi finora infruttuosi, tutti pensano che gli strumenti potenziati abbiano la possibilità di ottenere lo storico risultato nel 2016. L’attesa è così spasmodica che ogni sussurro, amplificato a dismisura da Internet, diventa un’esplosione termonucleare per i neuroni in pre-riscaldamento! Basta un “tweet” di qualche professore di Fisica che dica ai suoi studenti: “ho sentito che LIGO ha visto le onde gravitazionali”, che tutti si elettrizzano, sognando il Nobel. Tutti tranne i diretti interessati, ovviamente, chiusi nella loro certosina consegna del silenzio, con i telescopi correttamente puntati là dove serve. Nessuno scienziato di LIGO-Virgo oserebbe aprire la bocca tranne che per sussurrare di non aver ancora finito di analizzare i dati. I bene informati ricordano che anche negli esperimenti sulle onde gravitazionali è prevista la crudele pratica della “blind injection”, cioè dell’inserimento di un segnale artificiale studiato per mettere alla prova i rivelatori, i ricercatori e il software che analizza i dati, inserito all’insaputa di tutti. Un segnale all’apparenza reale, ma completamente artificiale, umano, fasullo, che deve generare tutte le “allerte” astronomiche e astrofisiche provocate da un segnale gravitazionale autentico. A tal punto verosimile da far saltare sulla sedia i responsabili dell’analisi dei dati, “costringendoli” a mandare l’informazione “segreta” a tutti quelli che si sono impegnati a collaborare, in modo che i telescopi sulla Terra e nello spazio si mettano a cercare il possibile segnale gravitazionale. Una volta che tutti i dati siano stati raccolti e analizzati e si sia arrivati quasi alle bollicine dello champagne rigorosamente Brut, può sempre giungere la doccia fredda scozzese. Ed allora l’autore dello scherzo di Carnevale, l’unico depositario della verità, scopre le carte e quella che sembrava la scoperta del secolo diventa solo una prova del buon funzionamento della macchina. Tutto questo fino a poche ore fa. L’Energia gravitazionale è un affare molto serio. Potremmo estrarre letteralmente tutto quello che ci serve dai Buchi Neri, dominando l’ingegneria quantistica. Senza commettere errori altrimenti fatali per la Terra. I Buchi Neri più massicci sono i più stabili. Quelli più piccoli, i più micidiali. Far orbitare una coppia di Buchi Neri non è un gioco da ragazzi. Nella Teoria Generale della Relatività di Einstein, lo spazio e il tempo non sono spettatori passivi come gli Italiani che, succubi dell’influsso alieno, assistono alla sistematica demolizione del loro Diritto di Famiglia e della loro Costituzione della Repubblica. La distorsione indotta nello spaziotempo dalle onde gravitazionali, una forma di massa-energia, può essere calcolata. La sorgente è la Forza gravitazionale, stranamente la più debole delle quattro note in Natura. Quella che però agisce a distanza infinita. Come dire che tutti noi, svincolati dall’attrazione del Sole e dei pianeti, potremmo essere facilmente fagocitati da una qualsiasi altra massa gravitazionale di stazza stellare, come il Buco Nero Cygnus X-1 posto a 5mila anni luce, con la stessa probabilità della scoperta di LIGO. La massa-energia spiega la curvatura dello spaziotempo, costringendo finanche i fotoni, che sono anche onde prive di massa, a seguire la normale struttura dell’Universo evidenziata da Einstein. Attenzione però a non confondere la Forza di Gravità con le Onde gravitazionali. Sebbene la prima sia associabile a un tipo di particella non ancora scoperta che i fisici ritengono sia il Gravitone che Lhc al Cern di Ginevra potrebbe rivelare, non vi è in realtà alcuna “forza” che costringe il fotone a seguire normali traiettorie curve nello spaziotempo. Einstein lo spiega benissimo nel 1916. Il fotone, su cui Albert viaggia fin dall’età di 16 anni, è privo di massa. Non curva lo spazio e il tempo che sono già curvi. Se facciamo il giro della Terra in linea retta, torneremo al punto di partenza perchè la Terra è già curva! Fatte queste debite premesse, si possono comprendere più facilmente le profonde implicazioni scientifiche e tecnologiche della scoperta di LIGO. Se la curvatura è un’espressione naturale della massa-energia presente nell’Universo, che si può manipolare, essa può ben spiegare la natura della Gravità che non ha nulla a che spartire con il pluripremiato film Gravity. Non solo. La “giusta” flessibilità dello spaziotempo è garantita proprio dalle onde gravitazionali che tessono la fitta trama della Creazione. Le loro increspature lasciano il segno dimostrando che siamo tutti istantaneamente interconnessi, indipendentemente dalla distanza che ci separa! Cosa genera le onde gravitazionali consentendo all’Universo di esistere? Tutto. La massa e l’energia. Basta concentrarne “poca” in un solo “punto”, per creare un piccolo Buco Nero, producendone via via sempre più di artificiali che potremmo utilizzare per estrarre energia. In teoria. La Gravità è una debole forza. Solo oggetti massicci come i Buchi Neri possono emettere grosse quantità di onde gravitazionali sufficientemente potenti per attraversare l’Universo curvo, raggiungere la Terra e produrre sui nostri laser effetti misurabili. Almeno per la sensibilità degli attuali esperimenti come LIGO-Virgo. Si sa, le onde trasportano energia proporzionale alla loro frequenza. Sia quelle elettromagnetiche sia quelle gravitazionali. Quando due Buchi Neri orbitano l’uno accanto all’altro, la frequenza delle onde che essi generano è simile a quella rotazionale. Più sono vicini, più sono veloci, più energia gravitazionale “trasmettono”, cioè dissipano dalla fossa spaziotemporale da essi creata. Il fenomeno è talmente rapido che le onde osservate da LIGO sono di frequenza sempre più alta. È il cuore dell’esperimento. Si, ma cosa si vede? Lo spaziotempo fluttuante esattamente come previsto da Einstein: punti che si contraggono e punti che si espandono periodicamente in una “sinfonia” cosmica il cui Direttore di Orchestra è la massa-energia. Le onde gravitazionali sono fotoni che attraversano e animano il tessuto dello spaziotempo sulla base della geniale formulazione relativistica di Minkowski-Einstein. Ne osserviamo certamente una parte, ma è come se la osservassimo Tutta. Siamo già nell’universo di Star Trek. Gli scienziati sanno che i fotoni possono manifestare proprietà davvero straordinarie. Si pensi all’azione fantasma a distanza tra due particelle poste ai confini opposti dell’Universo! Ma anche alla più comune misura di un’onda gravitazionale dallo spazio con l’Osservatorio Lisa Pathfinder. Per i fotoni il tempo non passa: agiscono istantaneamente, qualunche cosa facciano. È difficile misurare il tempo da loro impiegato per viaggiare tra due punti. LIGO usa il fenomeno dell’Interferenza quantistica per vedere l’assenza di fotoni fatti appositamente collidere. Tutte le particelle dispongono di un “orologio” quantico che gira più o meno velocemente a seconda della loro energia. Se due fotoni si incontrano nello stesso luogo e i loro orologi puntano in direzioni opposte, vuol dire che entrambi scompaiono. Si annullano. Il segrero della invisibilità. Idem per le onde gravitazionali. Un Osservatorio ortogonale “L” come LIGO e Virgo, dove gli scienziati possono spedire fotoni in direzioni perpendicolari sotto precise condizioni fisiche, consente alle particelle di svanire nel nulla (interferenza distruttiva) segnando così il passaggio dell’onda gravitazionale che può essere misurata con estrema precisione. Se il fotone va via, si accorcia la lunghezza di uno dei due fasci laser. E nell’altro, viceversa, i fotoni impiegheranno più tempo per raggiungere il medesimo punto, cioè modificheranno la loro energia. In pratica, ora gli orologi quantici dei fotoni provenienti da entrambi i lati dell’Osservatorio non segneranno più lo stesso tempo e vedremo alcuni fotoni dove prima non c’erano. Ogni volta che ne osserveremo uno, avremo la prova del reale fenomeno fisico di un’onda gravitazionale di passaggio nel sensore. È, allora, tutta questione di sensibilità che aumenta con la lunghezza e la corretta disposizione dei fasci laser riflessi da speciali specchi. All’aumentare della loro distanza, potremo rivelare onde gravitazionali sempre di diversa natura. Anche aliene artificiali? Chissà, magari per comunicare in futuro con altre civiltà. LIGO ha osservato quanto previsto da Einstein: onde gravitazionali alla velocità della luce! Gli straordinari progressi della Fisica durante il XX Secolo hanno permesso di costruire strumenti che gli astronomi vissuti in precedenza non avrebbero mai potuto immaginare. Sono cresciute le dimensioni dei telescopi, si è ampliato lo spettro osservato passando dal visibile all’infrarosso, alle onde radio, all’ultravioletto, ai raggi X e gamma. Sono state osservate particelle di altissima energia, fiotti di raggi gamma, da associare a qualche violento evento successo nell’Universo milioni e miliardi di anni fa. Oggi le osservazioni si susseguono numerose, anche grazie alla strumentazione imbarcata sui satellite come il Fermi, usata per osservare direttamente quelle particelle che altrimenti sarebbero assorbite dall’atmosfera terrestre prima di essere rivelate, e si va costruendo un’immagine del Cosmo sempre più ricca e affascinante. Accanto a queste varie forme di luce, che hanno anche permesso di ricostruire l’evoluzione dell’Universo risalendo fino a qualche centinaia di migliaia di anni dall’Inizio, esiste un altro tipo di radiazione, associato al moto di una qualsiasi massa presente nello spazio. Questa radiazione è figlia della più debole delle interazioni fondamentali, la Gravitazione, ed è il meccanismo con il quale si trasmette, alla velocità della luce, la forza di Gravità. Le proprietà delle onde gravitazionali, come si generano e come si rivelano, sono state dedotte nel 1916 da Albert Einstein dalla sua Teoria della Gravitazione, ovvero la Relatività Generale. La radiazione gravitazionale è stata messa in evidenza attraverso osservazioni di sistemi astrofisici, ma finora non si era riusciti a captarla con strumentazione terrestre, talmente è debole il segnale atteso. I rivelatori per onde gravitazionali hanno come elemento sensibile delle masse, isolate al meglio dalle perturbazioni locali, e come trasduttore un fascio di luce che misura di quanto esse distino l’una dall’altra. L’onda gravitazionale, al suo passaggio, cambia la posizione relativa delle masse di una quantità quasi assurda: un miliardesimo di miliardesimo di metro, pari a un millesimo del raggio del nucleo di un atomo. Queste distanze possono essere misurate con il metodo dell’Interferometria, confrontando le distanze misurate dalla luce in due direzioni diverse. Lo strumento risultante è un interferometro con due bracci perpendicolari tra loro, che funziona come un’antenna. E siccome con antenne più grandi si ha maggiore sensibilità, gli interferometri per onde gravitazionali sono cresciuti e hanno ora dimensioni di qualche chilometro, mentre è in sviluppo Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) con bracci di 5 milioni di chilometri, da collocare ovviamente nello spazio. Il nostro è stato chiamato Virgo dal nome dell’ammasso di galassie posto a decine di milioni di anni luce dalla Via Lattea. Completano il quadro un interferometro di 600 metri in Germania (Geo600) e uno in Giappone di 300 metri (Tama). Questi strumenti sono sempre in “ascolto”, in attesa della “prima luce”, ovvero della prima evidenza di un segnale gravitazionale da registrare e studiare. Ecco il perchè degli accordi per un uso congiunto dei dati raccolti. Infatti, il singolo interferometro è in ascolto di tutta la sfera celeste, ma non è in grado di fornirne la direzione di provenienza dell’onda gravitazionale. Invece, sfruttando i tempi di arrivo nei vari rivelatori è possibile ricostruire la posizione della sorgente. Se a questa posizione corrisponde un oggetto astrofisico già visto con altri mezzi, si avranno ulteriori notizie sulla natura della emissione gravitazionale. Se verranno osservati fenomeni transitori, come l’aumento di luminosità originato da una Supernova oppure fiotti di raggi gamma, allora si potrà associare alla forma d’onda registrata, già segnale di violenti movimenti di enormi masse, le altre osservazioni, per avere una ben maggiore comprensione di ciò che avviene quando sono in gioco energie estreme. Le onde gravitazionali possono attraversare indisturbate tutto l’Universo a noi conosciuto, tale è la trasparenza della materia nei loro confronti. Quindi esse giungono dal cuore del cataclisma stellare, fornendo dati altrimenti inaccessibili. Si ritiene che le onde gravitazionali siano quindi anche il primo segnale emesso in eventi di altissima energia e quindi gli interferometri, sfruttando la loro capacità di ascolto omnidirezionale, forniscono informazioni affinché tutti gli strumenti utili vengano puntati verso la sorgente per studiarne l’evoluzione fin dai primi istanti. Questo programma ambizioso può essere a giusto titolo chiamato Astronomia Gravitazionale. Esso conta tra i suoi obiettivi l’osservazione di candele standard gravitazionali, cioè sorgenti di onde gravitazionali di ampiezza nota per cui se ne può determinare la distanza dalla Terra, un dato molto difficile da ottenere in Astronomia classica. Le candele standard gravitazionali consentono di studiare in modo completamente nuovo la scala delle distanze e la distribuzione di material-energia nell’Universo. L’osservazione di fenomeni violenti a distanze cosmologiche, quali la coalescenza di Buchi Neri di milioni di masse solari, una prerogativa questa della missione Lisa, darà ulteriori informazioni su ciò che avviene nell’Universo giovane. Altrettanto interessante risulterà l’Astronomia multi-messaggero, in cui lo stesso fenomeno viene visto in tanti modi diversi. Le varie radiazioni osservate, con diversa evoluzione della loro intensità nel tempo, daranno ciascuna una immagine complementare. I modelli proposti dovranno essere in grado di spiegare tutte le osservazioni, dalle onde radio a quelle gravitazionali, ma vi sarà sicuramente qualcosa di nuovo e inatteso. Con il miglioramento degli strumenti e con l’interferometro spaziale Lisa che osserva fenomeni su scale di tempo più lunghe, inizierà anche l’Astrometria Gravitazionale, dalla quale si conta di ottenere misure di precisione relative alla forza di Gravità e quindi di estendere il campo di validità della Teoria della Gravitazione o, ancora una volta, richiederne una drastica revisione. L’idea di usare la misura dell’assorbimento dei raggi cosmici per sondare l’interno di volumi altrimenti inaccessibili, nello stesso modo in cui l’assorbimento di raggi X fotografa l’interno del corpo umano, risale a circa mezzo secolo fa. Tra le applicazioni concrete la più spettacolare venne realizzata da Luis W. Alvarez, premio Nobel, che esaminò la piramide di Chefren alla ricerca di sale nascoste. Senza trovarne! Nel 2003 un gruppo di ricercatori dei Laboratori di Los Alamos ha proposto un diverso uso dei Muoni cosmici, basato sulla misura non dell’assorbimento ma della deviazione angolare che essi subiscono attraversando un materiale. L’analisi delle deviazioni dei singoli muoni con un sofisticato programma di “imaging” fornisce la distribuzione del materiale in tre dimensioni. La nuova tecnica, chiamata Tomografia muonica, richiede un numero inferiore di muoni e, di conseguenza, un tempo di attesa inferiore rispetto alla misura dell’assorbimento, ma anche una strumentazione più complessa, dovendo misurare la direzione, e non solo la posizione, di ciascuna particella. Rivelatori adeguati sono stati sviluppati per gli esperimenti di Lhc al Cern di Ginevra. Ed è proprio utilizzando due camere a deriva per muoni dell’esperimento Cms che un gruppo Infn-Università di Padova, assieme a colleghi di Genova e Brescia, ha costruito ai Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Infn il primo prototipo di tomografo a raggi cosmici di grandi dimensioni (circa 11 m3). Questo strumento ha permesso di dimostrare che anche all’interno di grandi volumi è possibile determinare posizione, forma e densità del materiale contenuto, in particolar modo per elementi con elevato numero atomico come Piombo o Uranio. L’elevato potere di penetrazione dei muoni permette inoltre di ottenere immagini anche dietro schermi impenetrabili ai normali strumenti per radiografie con raggi X. Al momento sono allo studio applicazioni della tecnica per controlli di sicurezza, con l’obiettivo di identificare la presenza di sorgenti radioattive anche se efficacemente schermate da metalli pesanti. La Teoria della Relatività Generale di Einstein è in realtà ben più che un successo per il sistema di trasporto urbano moderno e rappresenta a buon diritto una delle più importanti teorie mai formulate. Essa è una colonna portante della fisica moderna, senza la quale gran parte delle osservazioni provenienti dalla fisica delle particelle, dall’astrofisica e dalla cosmologia risulterebbero inspiegabili. Le equazioni di Einstein ne sintetizzano in un’elegante compattezza l’essenza stessa, predicendo l’equivalenza massa-energia e la curvatura dello spaziotempo. Le equazioni di Einstein affermano che massa ed energia non possono essere considerate entità distinte. In quantità equivalenti, infatti, esse producono esattamente lo stesso effetto: una curvatura nella struttura dello spaziotempo che si manifesta attraverso la forza di Gravità. È il campo gravitazionale. È quasi sufficiente pensare a un lenzuolo teso ad una certa altezza da terra. Meglio nello spazio! In assenza di pesi esso appare perfettamente piatto. Tuttavia, se vi appoggiamo un oggetto, ad esempio una palla da biliardo, il lenzuolo si incurverà nelle sue vicinanze e qualsiasi altro corpo meno massiccio tenderà a cadere nella “buca” così prodotta o a ruotarvi intorno. La Relatività Generale ha superato nel corso degli ultimi 100 anni una grande quantità di verifiche sperimentali ed è ancora oggi la Teoria della Gravitazione che meglio di qualsiasi altra è in accordo con le osservazioni astronomiche e con gli esperimenti condotti in laboratorio. Sembrerebbe un successo su tutta la linea. In gran parte lo è per davvero. Tuttavia, c’è un aspetto della Teoria di Einstein che finora si era sottratto alla verifica sperimentale, e pertanto rimaneva un mistero, quello delle onde gravitazionali. Se da una parte la Teoria ne predice in maniera abbastanza diretta e semplice l’esistenza, dall’altra però nessun esperimento finora era mai stato in grado di rivelarle direttamente. Se la Teoria della Relatività Generale è corretta, come la gran parte delle comunità dei fisici sostiene, le onde gravitazionali non possono non esistere e devono poter essere rivelate in modo diretto, e non solo attraverso effetti secondari che potrebbero essere attribuiti anche a cause diverse. Cosa sono esattamente le onde gravitazionali? Concretamente, esse rappresentano la propagazione alla velocità della luce di deboli increspature nella curvatura nello spaziotempo, le famose piccole pieghe nell’esempio del lenzuolo. Da un punto di vista più matematico, le onde gravitazionali nascono come soluzioni delle equazioni di Einstein in campi gravitazionali deboli, cioè in lenzuoli “quasi piatti”. In questo senso la Teoria le definisce come “soluzioni delle equazioni di Einstein”, cioè relative a piccole curvature dello spaziotempo, esattamente come le onde elettromagnetiche sono soluzioni particolari di altre equazioni, le equazioni di Maxwell, e le onde su una superficie liquida sono soluzioni delle equazioni dell’idrodinamica. In tutti questi casi, le onde sono solo delle piccole perturbazioni che si allontanano dalla sorgente che li ha prodotti, e sono di tipo trasverso, ossia producono cambiamenti nella direzione perpendicolare a quella in cui si propagano. Consideriamo il caso, sicuramente più vicino alla nostra esperienza terrestre, di uno stagno sulla cui superficie stia inizialmente galleggiando una paperella per bambini. La propagazione delle onde d’acqua perturberebbe la paperella e, nel caso di onde di piccola ampiezza, questa comincerebbe a oscillare con moto periodico lungo la verticale, perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell’onda. In maniera del tutto analoga, le onde gravitazionali che si propagano nello spaziotempo, lo perturbano modificandone localmente il valore della curvature, quindi del campo gravitazionale. Durante la loro propagazione, le onde gravitazionali producono così delle forze di marea che fanno variare la posizione degli oggetti, in particolare di quelli che non sono soggetti a forze esterne, esattamente come le forze mareali esercitate dalla Luna sulla Terra inducono lo spostamento delle superfici liquide e solide sul pianeta. In generale, le onde gravitazionali sono caratterizzate da due gradi di polarizzazione, il piano sul quale oscilla la paperella nell’esempio dello stagno, lungo due direzioni poste a 45 gradi l’una dall’altra. Ognuno dei due induce una forza mareale di tipo “quadrupolare”, ossia di compressione in una direzione e di stiracchiamento in quella a essa perpendicolare. Grazie a Dio, per nostra fortuna, le onde gravitazionali che giungono sulla Terra non producono come “Silver Surfer” deformazioni apprezzabili. Esse, però, sono anche talmente deboli che tutti i dispositivi finora costruiti non erano ancora stati in grado di rivelarle! Come sono generate le onde gravitazionali? In realtà esse sono prodotte in continuazione ogni volta che una massa-energia è messa in movimento, quindi anche adesso, nell’atto di spremere le meningi per capire la reale portata della scoperta di LIGO. Tuttavia, l’ampiezza di queste onde sulla Terra è in generale infinitesimale. Per essere rivelate possono essere generate solo da enormi masse in movimento, a velocità vicine a quella della luce. Non navi interstellari, per ora! Chiaramente sulla Terra non c’è nulla che soddisfi queste condizioni ed è necessario rivolgersi a sorgenti di tipo astrofisico per poter sperare di avere un segnale sufficientemente intenso da essere rivelato. Gli oggetti astrofisici in grado di produrre onde gravitazionali rivelabili devono essere estremamente massicci e, per potersi muovere ad alta velocità, devono essere anche molto compatti. Candidati ideali di questo tipo sono i Buchi Neri e le stelle di neutroni, in prossimità dei quali la curvatura dello spaziotempo raggiunge i più alti valori possibili. La radiazione gravitazionale, inoltre, è particolarmente intensa quando è emessa da un sistema binario di stelle di neutroni o di Buchi Neri che, muovendosi a spirale in direzione del comune centro di massa, rilasciano enormi quantità di energia e momento angolare, una quantità che dipende anche dalla velocità di rotazione. I sistemi binari di oggetti compatti sono le sorgenti ideali e maggiormente ricercate dai moderni rivelatori e il tipo di radiazione emesso può essere illustrato con una semplice analogia meccanica. Si pensi, infatti, a una coppia di barre in rotazione in uno stagno. Le barre rotanti rappresentano il sistema di oggetti compatti e le onde dello stagno sono associate alle increspature della curvatura dello spaziotempo, cioè alle onde gravitazionali. Spiraleggiando verso il bordo dello stagno, le onde portano con sé energia e momento angolare e diminuiscono in ampiezza, proprio come avviene per i sistemi binari astrali. Sorgenti di questo tipo emettono sotto forma di onde gravitazionali quantità di energia pari a qualche unità percentuale della loro massa. In pratica, in un intervallo di tempo di appena qualche millisecondo, sprigionano l’energia che centinaia di stelle simili al nostro Sole emettono in 10 miliardi di anni, cioè in tutta la loro esistenza. Esse sono mediamente a grosse distanze dalla Terra e di conseguenza l’ampiezza che giunge a LIGO-Virgo è estremamente piccola. Per avere un’idea, basti pensare che un sistema binario di Buchi Neri di massa uguale al nostro Sole, a una distanza di seicento milioni di anni luce, produce onde gravitazionali con un’ampiezza di una parte su mille miliardi di miliardi. Prendendo come riferimento una lunghezza pari alla distanza tra la Terra e il Sole, la deformazione causata dall’onda gravitazionale sarebbe delle dimensioni di un atomo. Misure di questo tipo sono chiaramente al limite della nostra tecnologia e la rivelazione di onde gravitazionali rappresenta quindi una vera a propria sfida, non solo per la fisica sperimentale ma, in modo equivalente, anche per quella teorica. Le onde attese, infatti, produrrebbero un segnale confrontabile con il rumore di fondo dei rivelatori, rappresentato dall’inevitabile contributo dell’ambiente, e quindi teoricamente impossibile da rivelare. Tuttavia, se il segnale fosse noto a priori, questo potrebbe essere “estratto” dal rumore di fondo tramite una tecnica chiamata “matched filters” che è abbastanza semplice da comprendere. Si immagini di essere all’ascolto di una trasmissione radiofonica estremamente disturbata ma in cui è comunque possibile udire e distinguere occasionalmente delle parole. Ebbene, se a noi fossero note alcune informazioni di base, come la lingua usata, l’argomento discusso e il numero delle voci, il nostro cervello sarebbe in grado naturalmente di “estrarre” il segnale dal rumore e di ricostruire così, quasi interamente, quanto trasmesso! Da un punto di vista teorico, la sfida è quella di predire la forma dell’onda gravitazionale prodotta dalle sorgenti più intense e comuni, al fine di fornire questa informazione ai fisici sperimentali che si occupano di mettere a punto i sistemi per la rivelazione. Sembra un compito semplice, ma non lo è affatto! La soluzione delle equazioni di Einstein in assenza di approssimazioni e simmetrie, infatti, è estremamente ardua, poiché le stesse equazioni sono molto complesse. A questo va poi aggiunta la necessità di descrivere il moto della materia attraverso le equazioni dell’idrodinamica e della magneto-idrodinamica, raggiungendo un numero di equazioni accoppiate così elevato, che la loro soluzione è possibile solo sfruttando le risorse dei più potenti supercalcolatori. Nonostante queste difficoltà, sono stati fatti recentemente notevoli progressi e la predizione delle onde gravitazionali prodotte da sorgenti compatte non è mai stata accurata e stabile com’è oggi, rendendo così più efficace la sinergia tra fisici teorici e sperimentali nella ricerca in questo campo che aprirà all’Umanità la via per le altre stelle. Perché è così importante rivelare le onde gravitazionali? È chiaro che un tale sforzo scientifico e tecnologico non è intrapreso soltanto per dimostrare che Einstein aveva ragione fin dal 1916. Accanto a un’ulteriore verifica della Teoria della Relatività Generale, infatti, la rivelazione di onde gravitazionali consente di aprire una nuova finestra sull’Universo. Dalle onde radio ai raggi gamma, infatti, sono le onde elettromagnetiche a trasportare la maggior parte dell’informazione che oggi riceviamo dalla Creazione e che noi produciamo in Essa. Queste radiazioni, però, portano essenzialmente notizie sui dettagli delle sorgenti che le hanno emesse e molte meno sul comportamento complessivo.
Le onde elettromagnetiche subiscono, inoltre, gli effetti del passaggio nel materiale interposto tra noi e la sorgente, che in parte le assorbe. Le onde gravitazionali, al contrario, si propagano pressoché indisturbate e ci forniscono informazioni sui movimenti globali delle sorgenti, a frequenze che sono assai più basse di quelle delle onde elettromagnetiche. In virtù di questa sorta di ortogonalità tra i due tipi di messaggi, l’informazione registrata attraverso le onde gravitazionali deve essere unica e complementare a quella elettromagnetica. Per queste ragioni, la rivelazione delle onde gravitazionali rappresenta una delle più grandi sfide della fisica moderna, ma offre anche la prospettiva di fornire informazioni che ci sono state finora precluse. Come già successo in passato con l’avvento dell’astronomia a raggi X e di quella gamma, l’Astronomia delle Onde Gravitazionali sarà foriera di grandi scoperte, svelando un Universo che finora è rimasto avvolto nell’oscurità. Sebbene non fossero state ancora rivelate direttamente, esistevano pochi dubbi sull’esistenza delle onde gravitazionali. Questa certezza si deve all’osservazione della pulsar PSR1913+16, appartenente a un sistema stellare binario scoperto nel 1974 dagli astronomi americani Hulse e Taylor con il radiotelescopio di Arecibo, a Portorico. Una pulsar è una sorta di radiofaro stellare, una stella di neutroni capace di compiere ogni secondo fino a mille giri su stessa, emettendo onde radio in direzioni ben definite. A periodi regolari, la PSR1913+16 spara segnali anche nella nostra direzione. Tra tutte le pulsar scoperte da Hulse e Taylor, la frequenza dell’emissione di onde radio da parte della PSR1913+16 mostrava alcune anomalie rispetto alle altre pulsar allora note. Il singolare comportamento poteva essere spiegato solo ammettendo che la stella orbitasse intorno a un compagno, anch’esso probabilmente un astro di neutroni, perdendo energia e rallentando. Fu questa la scoperta del primo sistema binario di stelle di neutroni, che valse a Hulse e Taylor il premio Nobel per la fisica nel 1993. Per un sistema binario come quello della PSR1913+16, la Teoria della Relatività Generale prevede una considerevole emissione di onde gravitazionali, ancora troppo bassa, finora, per essere rivelata direttamente sulla Terra. I suoi effetti, tuttavia, diventano evidenti osservando l’orbita della pulsar. L’emissione di onde gravitazionali, infatti, riduce l’energia del moto orbitale: le due stelle tendono ad avvicinarsi l’una all’altra di alcuni metri l’anno e la periodicità degli impulsi radio diminuisce di una quantità che gli astrofisici possono misurare. Il sistema binario PSR1913+16 si trova a 1.500 anni luce dalla Terra, qualcosa come 15 milioni di miliardi di chilometri, nella costellazione dell’Aquila. L’osservazione della PSR1913+16 rappresenta la prima prova sperimentale indiretta dell’esistenza delle onde gravitazionali. Le sorgenti di onde gravitazionali possono essere di natura molto diversa. I segnali che emettono sono tipici e riconoscibili e rappresentano dunque una sorta di impronta della loro origine. Essi sono caratterizzati da una frequenza principale e da un comportamento peculiare che consente di classificarli in segnali impulsivi, periodici o stocastici. Un gruppo a sé è costituito dai segnali da spiraleggiamento che combinano caratteristiche diverse e sono prodotti dalla coalescenza di sistemi binari di oggetti molto compatti.
Tra i segnali impulsivi più intensi ci sono quelli prodotti dai collassi gravitazionali. Quando una stella esaurisce la sua scorta di combustibile termonucleare, essa collassa fino a formare una stella di neutroni o un Buco Nero. Una stella di neutroni è un astro estremamente compatto con un raggio di una decina di chilometri e una massa intorno a 1,5 masse solari. La sua densità media è così elevata che un solo metro cubo della Supermateria di cui è fatta equivale, in massa, all’intera catena dell’Himalaya. I Buchi Neri sono caratterizzati da un campo gravitazionale ancora più intenso, tanto che neanche la luce riesce ad abbandonare la loro superficie. Quando a collassare è una stella di grandi dimensioni con una massa pari almeno a 8 volte quella solare, l’evento scatena e alimenta una successiva esplosione del mantello della stella, la Supernova, e nel cataclisma si pensa venga emessa un’onda gravitazionale di durata limitata e di grande ampiezza. Con gli attuali rivelatori possiamo sperare di osservare solo eventi prodotti da sorgenti interne alla nostra Galassia, la cui frequenza prevista è di circa uno ogni cinquant’anni. Per rivelare un numero maggiore di Supernovae è necessario misurare anche esplosioni avvenute molto più lontano e per questo in tutto il mondo sono in corso grossi investimenti volti ad aumentare la sensibilità dei rivelatori. Onde gravitazionali di tipo periodico sono emesse da stelle di neutroni in rotazione, le Pulsar. In questo caso l’onda è tanto più intensa quanto più queste stelle sono asimmetriche, a causa del campo magnetico interno, e quanto più alta è la loro velocità di rotazione. In questo caso, le onde gravitazionali sono caratterizzate da un insieme limitato di frequenze e sono, dunque, più facili da identificare rispetto alle onde impulsive. Ciò che rende difficile la loro rivelazione è la loro minore ampiezza. Esiste poi una terza classe di sorgenti che emette onde gravitazionali di tipo stocastico, cioè un segnale in cui non si possono riconoscere elementi ripetitivi e che è percepito come casuale. Sorgenti di questo tipo possono avere origine astrofisica o cosmologica. Un esempio delle prime è il fondo stocastico che si pensa prodotto da un elevato numero di sistemi binari di stelle meno compatte delle stelle di neutroni, il cui segnale sarebbe troppo debole per poter essere individuato singolarmente. Nel complesso esse produrrebbero un fondo alle basse frequenze che è possibile rivelare nello spazio. Il fondo stocastico cosmologico fu invece generato dall’esplosione del Big Bang e quindi fornirebbe un’immagine del primo istante di vita dell’Universo. I sistemi binari di stelle di neutroni e/o Buchi Neri costituiscono una classe a sé stante, perché quando i due oggetti compatti sono molto distanti tra loro, producono un segnale di spiraleggiamento approssimativamente periodico, benché di piccola intensità e quindi difficilmente rilevabile. Tuttavia, quando i due oggetti sono più vicini, a causa della perdita continua di energia e momento angolare attraverso la radiazione gravitazionale, l’intensità delle onde emesse aumenta, così come la frequenza, fino al momento dello scontro e dell’eventuale collasso, durante il quale avviene una copiosa e impulsiva emissione di radiazione. Anche in questo caso, come in quello delle sorgenti impulsive, se ci si limita ad osservare una regione di Universo contenente solo la nostra Galassia, le probabilità di rivelazione sono basse, dell’ordine di una ogni centomila anni. Con le nuove generazioni di rivelatori sarà possibile estendere il raggio di osservazione a distanze di circa un miliardo di anni luce, per le quali ci si aspetta di poter rivelare dai due ai venti eventi ogni anno terrestre, nel caso rispettivamente di sistemi binari di due Buchi Neri o di due stelle di neutroni. I sistemi binari sono probabilmente le sorgenti che al momento conosciamo meglio dal punto di vista teorico, anche grazie ai notevoli progressi che si sono ottenuti negli ultimi anni mediante l’utilizzo di simulazioni numeriche. Le equazioni della Relatività Generale che descrivono la dinamica di questi oggetti, sono infatti così complesse da rendere necessario l’utilizzo di avanzati algoritmi numerici e potenti risorse di calcolo. Questo ha portato alla nascita di una nuova branca della fisica, nota con il nome di Relatività Numerica, che ha permesso di fornire per la prima volta una descrizione accurata di fenomeni astrofisici come il collasso di stelle di neutroni o la collisione di Buchi Neri in sistemi binari, fornendo al contempo una prima stima del segnale che le antenne gravitazionali dovranno rivelare. Gli strumenti per rivelare le onde gravitazionali si basano sulla matematica. Nei grafici le curve rappresentano la sensibilità, per onde gravitazionali di diversa frequenza, di vari esperimenti, presenti o futuri. Per ogni strumento è riportata l’ampiezza minima di un’onda gravitazionale di una certa frequenza, che lo strumento è in grado di rivelare. Sull’asse orizzontale sono indicate le possibili frequenze dell’onda, in Hz, e sull’asse verticale è rappresentata la sua ampiezza: quanto più bassa è la curva, tanto più sensibile, quindi migliore, è il rivelatore. Più precisamente, le curve rappresentano per ogni frequenza l’ampiezza dell’onda gravitazionale in grado di produrre nel rivelatore un segnale uguale a quello prodotto dal rumore, in media e a quella stessa frequenza. Per rumore di un rivelatore si intende il segnale generato da tutti i fenomeni di disturbo presenti ad ogni frequenza. Per un interferometro terrestre come Virgo e LIGO, un sisma o qualunque altro tipo di vibrazione è un rumore che può mascherare l’effetto delle onde gravitazionali. Per Lisa, che è un osservatorio spaziale, le sorgenti di rumore sono naturalmente di tipo diverso. E diverse ancora sono le cause che generano disturbo nei rivelatori acustici, come Auriga, Dual, Explorer e Nautilus. In ogni caso non è mai possibile liberarsi completamente del rumore. Dato che il rumore è una media statistica, solo i segnali che lo superano di molto in ampiezza potranno essere riconosciuti immediatamente. I segnali di poco superiori ad esso, invece, potranno essere identificati soltanto mediante complesse analisi dei dati. Le aree ombreggiate rappresentano le possibili ampiezze delle onde gravitazionali prodotte da fenomeni astrofisici, alle diverse frequenze. Le ampiezze attese possono variare di molto, perché le nostre previsioni sono incerte e perché non sappiamo a che distanza si trova la sorgente. L’avventura di Virgo ebbe inizio negli Anni Ottanta del XX Secolo, durante un congresso di Relatività Generale. Adalberto Giazotto, fisico dell’Infn con un interesse per le onde gravitazionali, che allora progettava prototipi di sospensioni per isolare dai movimenti sismici i dispositivi di test dei futuri rivelatori, ebbe l’occasione di incontrare Alain Brillet, un fisico francese anch’egli interessato alla rivelazione delle onde gravitazionali, ma con un bagaglio di esperienza completamente diverso, l’ottica e i laser. Da questo incontro di esperienze complementari, nacque l’idea di costituire una collaborazione italo-francese per realizzare il Progetto Virgo, un interferometro laser per rivelare l’eventuale passaggio di un’onda gravitazionale. Seguì circa un decennio di lavoro intensissimo, volto al completamento dei prototipi, alla stesura di un progetto e a ottenere l’approvazione e il finanziamento dell’Infn e del Cnrs, il Centro nazionale per la ricerca scientifica francese. Oggi Virgo è diventato uno strumento molto potente che permette di controllare con straordinaria precisione la differenza di lunghezza dei suoi due bracci ortogonali lunghi ben 3 Km. Ciò è fondamentale perché dalla variazione della lunghezza dei fasci laser, è possibile ricavare l’ampiezza dell’onda che li ha investiti. Al loro passaggio, le onde gravitazionali deformano alternativamente lo spazio in due direzioni perpendicolari, producendo così l’allungamento di un braccio e l’accorciamento dell’altro. Ciò altera lo sfasamento tra i due fasci laser che dà luogo a un segnale luminoso sul rivelatore la cui intensità dipende dalla variazione di lunghezza dei bracci.
Dal momento che queste deformazioni sono estremamente piccole, è necessario aumentare la sensibilità dello strumento di misura mettendo in pratica ogni possibile accorgimento. Il più naturale per un interferometro consiste nel dotarlo di bracci molto lunghi: quanto più grande è la lunghezza, infatti, tanto più grande è la sua variazione. Sulla Terra si riescono a realizzare bracci rettilinei al massimo di qualche chilometro, considerando i costi, l’ambiente e la curvatura terrestre. Così, per allungarli virtualmente, alle loro estremità sono stati collocati degli specchi di precisione: l’effetto delle variazioni viene moltiplicato facendo sì che i fotoni dei raggi laser percorrano avanti e indietro molte volte i bracci, prima di raggiungere il sensore. In Virgo ci si attende così di poter misurare delle differenze di lunghezza inferiori ai 10E-19 metri, un miliardo di volte più piccole del diametro di un atomo! Nel campo dell’ottica, Virgo utilizza una nuova generazione di laser ultrastabili, mentre per produrre specchi di qualità estrema è stato costruito, a Lione, un laboratorio ad hoc per la deposizione sotto vuoto dei vari strati riflettenti che compongono ciascuno specchio. È stata ottenuta una riflettività di oltre il 99,999%, e la superficie degli specchi è così levigata che le dimensioni di eventuali irregolarità sono dell’ordine del nanometro, cioè del miliardesimo di metro. La vera sfida da vincere è però quella di isolare lo strumento da tutti i possibili fenomeni che possano coprire gli effetti delle onde gravitazionali.
Le vibrazioni sismiche, sempre presenti sulla crosta terrestre, sono miliardi di volte più grandi degli spostamenti dovuti alle onde gravitazionali. Per isolare gli specchi dai terremoti, sono stati messi a punto i Superattenuatori, giganteschi ammortizzatori che sostengono gli specchi mediante complesse catene di pendoli, all’interno di campane da vuoto alte 11 metri. Le eccezionali prestazioni dei superattenuatori permettono di estendere la sensibilità di Virgo a basse frequenze, mentre gli altri interferometri a terra non possono scendere al di sotto di 50 Hz. Ciò dà a Virgo l’esclusività per esplorare un intervallo di frequenze potenzialmente molto interessante dove si potrebbero “vedere” onde gravitazionali prodotte da pulsar e da stelle binarie coalescenti. Un’altra fonte importante di disturbi sarebbe costituita dalle fluttuazioni dell’indice di rifrazione dell’aria, lungo il cammino dei fasci di luce. A questo effetto si rimedia in modo concettualmente semplice, facendo propagare i raggi laser nel vuoto. Nella pratica la necessità di un vuoto estremamente spinto (10E-12 atmosfere) all’interno di due tubi di 1,2 metri di diametro e 3 Km di lunghezza, ha richiesto la realizzazione di quello che è, di gran lunga, il più grande sistema da ultra-alto-vuoto d’Europa. Queste e altre esigenze hanno spinto i ricercatori e i tecnici coinvolti nel progetto a sviluppare le più avanzate tecnologie in numerosi campi. Queste tecnologie sono ora a disposizione di altri campi di ricerca e dell’industria. Grazie a un accordo raggiunto con i gruppi di lavoro di altri interferometri, i due LIGO negli Stati Uniti e Geo600 in Germania, non ci si limita a cercare coincidenze temporali fra i vari rivelatori ma, scambiandosi i dati originali, si effettuano analisi multiple e coerenti di tutti i dati, migliorando così la statistica e l’affidabilità dei risultati. Virgo ha raggiunto una sensibilità paragonabile a quella dei due interferometri LIGO. L’interesse di raccogliere dati in coincidenza con gli altri interferometri è duplice: riconoscere e scartare la maggior parte dei segnali spuri che hanno origine locale e non possono, quindi, dare coincidenze temporali fra rivelatori in continenti diversi, contrariamente ai segnali di onde gravitazionali che investono tutta la Terra; inoltre, mediante la differenza di tempo d’arrivo dell’onda ai vari rivelatori, si può individuarne la sorgente, così come le nostre due orecchie poste ai lati della testa servono per individuare la sorgente di un suono. La previsione del numero di eventi rivelabili è molto difficile e incerta. Se ci si limita ai fenomeni prevedibili con maggiore attendibilità, le coalescenze di stelle binarie, si stima che i rivelatori attuali abbiano una probabilità dell’un percento di vedere un evento in un anno di presa dati continua. Per questo motivo, l’accordo fra Virgo, LIGO e Geo600 prevede un programma coordinato di miglioramento di tutti i rivelatori in due passi: Virgo+, in cui, mediante tecnologie già in uso, le sensibilità saranno migliorate a tal punto che il numero di eventi rivelabili diverrà dell’ordine di uno all’anno; e Virgo Advanced, in cui, grazie a tecnologie in fase di sperimentazione, si prevede un miglioramento complessivo della sensibilità di circa 10 volte e il numero di eventi attesi sarà di qualche decina all’anno. La scoperta di LIGO segna l’inizio dell’Astronomia Gravitazionale perchè frutto della collaborazione internazionale. La collaborazione Virgo è costituita da centinaia di ricercatori provenienti dall’Infn e da alcuni laboratori del Cnrs francese (Centre National de la Recherche Scientifique) a cui si è aggiunto un gruppo del Nikhef di Amsterdam. EGO600, l’Osservatorio Gravitazionale Europeo, è il laboratorio creato nel 2001 sotto forma di consorzio fra Cnrs e Infn, per prendersi cura di tutte le infrastrutture necessarie al buon funzionamento di Virgo. Attualmente Ego ha raggiunto la sua dimensione di regime, fra cui la squadra di operatori che consente il funzionamento dell’interferometro, in particolare durante la raccolta dei dati. Numerosi dipendenti di Ego600 contribuiscono anche alla messa a punto e al miglioramento del rivelatore. Durante la loro vita, stelle di neutroni e Buchi Neri stellari vibrano violentemente, generando onde gravitazionali a frequenze del kHz e superiori. Rivelarle ci permette di sondare in modo diretto la dinamica di regimi estremi della Supermateria che non sarebbero altrimenti osservabili. L’interesse per tali onde quindi è forte, ma la loro rivelazione si presenta più che mai difficile: al crescere della frequenza oltre il kHz, infatti, decrescono sia le ampiezze dei segnali attesi sia le sensibilità dei grandi interferometri. Le barre, invece, sarebbero più sensibili, ma solo su una esigua banda di frequenze. Per migliorare le loro prestazioni, quindi, si dovrebbe “accorciare” un interferometro, come un buon sarto artigianale sa fare con i vestiti cuciti su misura. Perché non perda sensibilità oltre il kHz, e per rendere “a banda larga” una barra. Il rivelatore criogenico “Dual” soddisfa ambedue queste richieste. Il principio di funzionamento di Dual si basa essenzialmente su due cilindri concentrici, che vibrano al passaggio di un’onda gravitazionale. Se i due cilindri hanno una dimensione dell’ordine del metro (una massa di alcune tonnellate), quello esterno risuona a una frequenza di circa 1 kHz e quello interno a circa 5 kHz. Sollecitati da onde gravitazionali con una frequenza all’interno di questa banda, i due cilindri rispondono vibrando in controfase, poiché il primo è sollecitato sopra la sua frequenza di risonanza e il secondo sotto. In sostanza, quando quello esterno tende a dilatarsi, l’altro tende a comprimersi e viceversa. L’intercapedine tra i due cilindri così si deforma massimamente. Dalla misura di questa deformazione, è possibile risalire all’ampiezza dell’onda gravitazionale che ha attraversato Dual. Bisogna però essere in grado di selezionare, tra le vibrazioni, quelle compatibili con un’onda gravitazionale da quelle che possono essere prodotte da altre sollecitazioni. I sensori ottici e di altro tipo disposti a croce sono in grado di farlo perché riescono a misurare la differenza di deformazione tra i due bracci della croce. Per ogni sensore c’è però un prezzo da pagare che ne stabilisce il limite. Esso consiste nel cosiddetto “rumore di ritorno” prodotto dalla “forza di ritorno” esercitata dallo stesso sensore. Se usiamo come sensori delle cavità ottiche “riempite” di luce, incastonate nell’intercapedine, i fotoni al loro interno esercitano una pressione sulle sue pareti. Poiché il numero dei fotoni non è costante nel tempo, la pressione che essi esercitano varia, modificando la deformazione dell’intercapedine. Questa fluttuazione determina il rumore di ritorno che inquina la misura. Il caso di Dual è però speciale. Nella banda utile di frequenza, che ha come limiti le frequenze di risonanza dei due cilindri (1 kHz e 5 kHz), poiché essi rispondono in controfase alle sollecitazioni esterne, la deformazione dovuta ad una pressione nell’intercapedine è minima. Per “effetto Dual”, nella banda utile il segnale è massimo e il rumore di ritorno è minimo: usando come sensori di deformazione cavità ottiche di Fabry-Pérot “corte”, di circa 1 cm, ma estremamente riflettenti e con pochissime perdite di luce dovute ad assorbimento e diffusione, per conservare all’interno della cavità la luce necessaria alla misura il più a lungo possibile, la sensibilità di Dual si mantiene costante su tutta la larga banda utile e sarà migliore rispetto a quella degli interferometri, anche nella loro versione “avanzata”. Se ci si vuole spingere nel regno dei segnali emessi dalle grandi sorgenti cosmologiche di onde gravitazionali, a frequenze molto più basse di quelle emesse dalle esplosioni di Supernova, la superficie terrestre non è un buon posto. Le onde gravitazionali impiegano da molti minuti a molte ore per completare un’intera oscillazione e la loro osservazione è perturbata anche dal moto degli alberi mossi dal vento, dal moto dei veicoli o da quello della crosta terrestre. Per studiare le onde gravitazionali di bassa frequenza il luogo ideale è lo Spazio. Lisa (Large Interferometry Space Antenna), il futuro Osservatorio spaziale di onde gravitazionali, orbiterà intorno al Sole alla stessa distanza a cui si trova la Terra, ma spostato rispetto a essa di alcune decine di milioni di chilometri. Saranno messi in orbita, in realtà, tre satelliti in configurazione triangolare, a una distanza di 5 milioni di chilometri l’uno dall’altro. Concettualmente Lisa è identica al suo prototipo “Pathfinder” già nello spazio e ai grandi interferometri laser terrestri, come LIGO e Virgo, e sarà in grado di misurare lo spostamento tra due masse di prova dovuto al passaggio di un’onda gravitazionale. A differenza degli interferometri terresti, però, Lisa è dotato di tre bracci interferometrici. Ognuno è costitutito da due masse di prova (due cubi di Oro-Platino di 2 kg) poste su satelliti diversi, e da un interferometro che grazie all’interferenza dei fasci laser riflessi dalle masse permetterà di misurarne lo spostamento relativo. Come per gli interferometri terresti, le masse di prova sono in caduta libera, come lo sono la Luna e tutti i satelliti che orbitano intorno alla Terra, e come lo è un uomo all’interno di un ascensore senza cavi, film Gravity permettendo! La differenza, nello spazio, è che la caduta libera non è solo un’approssimazione: qui i cubi di Oro-Platino galleggiano davvero liberamente all’interno di un satellite, come un astronauta nella navetta Soyuz e nella Stazione Spaziale Internazionale, senza essere toccati da nulla. Attraverso un misuratore di posizione elettrico, infatti, il satellite può controllare la collocazione relativa delle masse e degli oggetti circostanti, all’interno del satellite stesso, e prevenire il contatto correggendo la sua posizione con dei micropropulsori degni di Star Trek. Lisa osserverà migliaia di segnali emessi dalle coppie di stelle compatte presenti nella nostra Galassia e sarà un Osservatorio astrofisico, cosmologico e di Relatività Generale di enorme ricchezza. Del segnale emesso da una stella binaria, gli scienziati sanno prevedere quasi tutto. L’emissione da uno di questi sistemi è quella osservata dalla Pulsar binaria PSR1916+13 che ha dato il premio Nobel a Hulse e Taylor per la scoperta delle onde gravitazionali. Di alcune di queste sorgenti sappiamo già tutto perché le osserviamo con i telescopi ordinari. Per una decina di queste, però, ci si aspetta che Lisa possa rivelare il segnale emesso, per misurarne l’ampiezza con grande precisione. Delle più brillanti sarà possibile vedere anche i dettagli più minuti, come il trasferimento di materia dall’una all’altra, la deformazione dovuta all’attrazione reciproca e così via. Lisa farà di queste sorgenti il più grande Catalogo astrale di sempre, osservando i segnali di quelle visibili con i telescopi tradizionali, ma anche di quelle invisibili. Una Summa astrofisica essenziale non solo per la comprensione della formazione delle galassie. Tra gli obiettivi di Lisa ci sono ovviamente le onde gravitazionali emesse da sistemi binari di Buchi Neri: dalla caduta di un piccolo Buco Nero in un gigantesco Buco Nero al centro di una galassia, al lento orbitare di due Buchi Neri galattici l’uno intorno all’altro. Il primo dei due sistemi è il Laboratorio di Einstein ideale. Le onde emesse dal piccolo Buco Nero durante i suoi ultimi 10mila giri intorno al Buco Nero centrale permettono di ricostruire la mappa dell’Orizzonte degli Eventi, la superficie in corrispondenza della quale la Gravità è così intensa che la stessa luce entra in orbita chiusa e il tempo si ferma. Un vero “strappo” nello spaziotempo. Questa osservazione consente la prima dimostrazione sperimentale di un famoso teorema secondo il quale i Buchi Neri “non hanno capelli”, il che significa che non è possibile distinguere un Buco Nero da un altro se non per la s
a massa, la sua carica e la velocità con cui ruota, più precisamente il suo momento angolare. Sempre che il Buco Nero sia quello che tutti pensiamo e non invece un oggetto stravagante, come una stella di Quark, di cui non sospettiamo neanche l’esistenza! Ancora più affascinante è l’osservazione del sistema binario formato da due Buchi Neri giganti. Di alcuni di questi possiamo osservare tutta l’evoluzione, fino alla coalescenza in un unico Buco Nero più grande. Di nuovo, l’incredibile Laboratorio gravitazionale svelato da LIGO. Seguendo tutto l’evolversi del segnale i fisici pensano di poter dimostrare anche un altro teorema: qualunque cosa succeda, l’area dell’Orizzonte del Buco Nero finale è più grande dell’area dei due costituenti. Questo teorema è considerato l’estensione del Secondo Principio della Termodinamica all’Universo: quando un buco nero ingloba dell’informazione fisica la sua superficie cresce sempre, comportandosi come l’entropia della termodinamica classica. Il segnale gravitazionale di un sistema binario fornisce anche una misura della distanza fra l’osservatore e la sorgente. Quello prodotto da una coppia di Buchi Neri giganti sarà visibile a Lisa anche quando questi sono ai confini dell’Universo osservabile, per inaugurare la Cosmologia Gravitazionale, una Mappa dell’Universo le cui distanze sono misurate per la prima volta in modo diretto. Quanti segnali di questo tipo potrà osservare Lisa nei suoi anni operativi? In una visione pessimistica saranno centinaia. Ma con una simile capacità di osservazione, chissà quali altre scoperte ci potremo aspettare. Com’è possibile mettere due masse in effettiva caduta libera e misurarne la distanza relativa con la precisione necessaria? Occorre farsi un’idea delle quantità in gioco: il peso di un microbo sulla superficie terrestre supera di mille volte il massimo disturbo tollerabile su uno dei cubi di Oro-Platino, e i 5 milioni di chilometri che li separano devono essere misurati con precisioni del miliardesimo di millimetro! Nulla del genere è stato mai tentato prima. Per questo l’Esa, con un contributo della Nasa, ha deciso di dedicare un’intera missione alla dimostrazione della fattibilità di Lisa. Con Lisa Pathfinder, di cui l’Infn, con il sostegno dell’Agenzia Spaziale Italiana, ha la responsabilità scientifica, portando in orbita interplanetaria una versione in miniatura di uno dei bracci di Lisa: due cubi di Oro-Platino in caduta libera all’interno di un satellite e posti a una certa distanza continuamente misurata da un interferometro laser con la precisione richiesta. Lisa Pathfinder già inaugura la Fisica Gravitazionale dell’Universo profondo. La Gravitazione è la più debole interazione fondamentale, la più antica conosciuta dall’Uomo e ancora per molti versi la più misteriosa. Per studiare la sua natura, racchiusa nelle informazioni che possono fornire le onde gravitazionali, i cui segnali sono così deboli da non essere finora mai stati rivelati, i fisici costruiscono sofisticatissimi esperimenti alla frontiera della Scienza e della Tecnologia. La Gravità è stata protagonista della prima grande sintesi nello studio della Natura, quella operata nel ’600 da Newton tra i fenomeni terrestri e i fenomeni celesti. Una pietra cade a terra, la Terra gira intorno al Sole e vede, a sua volta, ruotare attorno a sé la Luna. Tutti questi fenomeni sono dovuti all’azione di una stessa forza che attira i corpi fra loro e che agisce allo stesso modo dovunque nel Cosmo: la forza di gravità. La legge che descrive l’azione di questa forza, da allora, si chiama Legge di Gravitazione Universale. Nel ’900 Einstein trasforma elegantemente in una perfetta sintesi questa visione delle cose, creando un’indissolubile unione tra la Gravità, lo Spazio e il Tempo. La presenza di material-energia curva lo spaziotempo, come se questo fosse un tappeto elastico. I corpi si attirano tra loro come conseguenza di questa curvatura. La Teoria della Gravitazione di Einstein, la Relatività Generale del 1916, ha avuto varie conferme sperimentali, tra cui la verifica che anche i raggi luminosi seguono questa curvatura. Mancava però ancora la conferma più spettacolare e carica di significato: la rivelazione delle onde gravitazionali. Il movimento della massa-energia è in grado di generare deformazioni e vibrazioni che, viaggiando nello spazio come onde in uno stagno ma alla velocità della luce, portano in tutto il Cosmo informazioni sul movimento e sulla natura delle sorgenti che le hanno generate. Queste sono le onde gravitazionali. Si tratta di perturbazioni dello spaziotempo che viaggiano alla velocità della luce e che possono essere rivelate misurando la variazione della distanza tra due corpi. È sorprendente visto che tutti noi, apparentemente, viaggiamo a velocità sub-luce e siamo immersi con i nostri strumenti di misura nell’esperimento! Le onde gravitazionali cercate dai fisici sono emesse da corpi estremi, disseminati nell’Universo come nere perle nel vuoto: i Buchi Neri e le stelle di neutroni, in cui le densità sono elevatissime e la Gravità prevale sulle altre forze. Ma potrebbero essere generate anche da sorgenti ancora sconosciute. Spesso, in Fisica, quando si apre una nuova finestra sull’Universo, si scoprono sorgenti assolutamente impensate. Come dagli “errori” di Einstein, da premiare con altrettanti Nobel, anche dal totalmente inatteso può giungere la svolta decisiva. La rivelazione e lo studio delle onde gravitazionali permette non solo di trovare un’ulteriore conferma della Telatività Generale di Einstein, ma segna anche l’inizio di una nuova Astronomia. Né i telescopi che osservano i fotoni né i rivelatori di raggi cosmici o di neutrini possono fornire un racconto così dettagliato del movimento della material e dell’energia cosmiche in condizioni estreme. Niente può dirci che cos’è accaduto nell’Universo subito dopo il Big Bang meglio dell’eco delle onde gravitazionali, generata molto prima di quella dei fotoni. Sono numerose e affascinanti le domande che possono avere una risposta grazie allo studio teorico e sperimentale delle onde gravitazionali. Si potrebbe sapere se la Relatività Generale è la corretta Teoria della Gravitazione, se rimane valida anche in condizioni di forte Gravità e se la velocità delle onde è quella della luce, se i Buchi Neri esistono veramente e se sono come la Relatività Generale li descrive, come si comporta la materia nucleare a densità e pressioni enormi, finora irrealizzabili nei nostri laboratori, e se le stelle di neutroni sono tali o, piuttosto, stelle di Quark. Per questo la rivelazione delle onde gravitazionali è una sfida che vale la pena di vincere. Una sfida difficilissima per i fisici sperimentali che merita di essere premiata immediatamente. Queste onde attraversano la materia praticamente senza fermarsi e catturarle è quindi un compito davvero arduo. Sono ancora più elusive dei neutrini e delle particelle della Materia Oscura, le altre grandi sfide che vedono impegnati giovani cacciatori. Per studiare le onde gravitazionali sono stati costruiti i più sensibili strumenti oggi concepibili. Si è iniziato negli Anni ’60 con la progettazione delle antenne risonanti formate da grandi cilindri metallici sospesi e poi raffreddati. A partire dagli Anni ’90, a temperature vicine allo Zero Assoluto grazie all’uso di tecnologie quantistiche. Come sensibilissimi diapason, queste antenne sono state progettate per risuonare al passaggio di un’onda gravitazionale. Ma la loro sensibilità non è stata sufficiente. Gli Anni 2000 hanno visto l’affermarsi dei sensibilissimi interferometri laser, come Virgo. Sono straordinari strumenti progettati per rivelare le onde gravitazionali emesse da sorgenti lontane anche centinaia di milioni di anni luce, che devono la loro stupefacente sensibilità all’uso estremo delle tecnologie laser, ottiche, elettroniche e meccaniche. Virgo è in grado di misurare una variazione di lunghezza dei bracci a livello del miliardesimo di miliardesimo di metro, che è come se si volesse cercare una variazione più piccola dello spessore di un capello nel misurare la distanza tra la Terra e Giove. Negli Usa è stato contemporaneamente costruito, grazie a Kip Thorne, l’interferometro LIGO. La sensibilità di entrambi i rivelatori è stata migliorata grazie ai progetti Advanced Virgo e Advanced LIGO (4×4 Km). Nella prossima decade si prevede di realizzare un nuovo interferometro di 10 chilometri di lunghezza, situato sottoterra per ridurre l’effetto del rumore sismico e delle variazioni del campo gravitazionale, e costruito con specchi raffreddati a bassa temperatura per ridurre il rumore termico. Si tratta dell’ambizioso progetto chiamato Einstein Telescope (ET), magari da costruire in Sardegna. Riusciremo a captare davvero l’eco gravitazionale del Big Bang? Rivelatori estremi in siti estremi. Una fitta trama di strumenti sofisticatissimi è pronta a catturare le note della Gravità. LIGO sfrutta raggi laser per individuare il transito di onde gravitazionali. Solo la fase di costruzione, terminata nel 1999, è costata 365 milioni di dollari ed è ancora il più grande e ambizioso progetto mai finanziato dalla NSF. Dal 2002 al 2010 LIGO non ha rilevato alcuna onda gravitazionale, per questo gli strumenti sono stati spenti per 5 anni durante i quali i rivelatori sono stati sostituiti e migliorati. L’operazione di revisione, costata 200 milioni di dollari, ha partorito Advanced LIGO, un Osservatorio fino a dieci volte più sensibile a questi segnali. Il 18 Settembre 2015 Advanced Ligo ha iniziato le sue prime osservazioni scientifiche, a circa quattro volte la sensibilità iniziale degli interferometri LIGO e la sensibilità sarà ulteriormente rafforzata fino a raggiungere il massimo intorno al 2021. LIGO si compone di due impianti gemelli separati, gestiti come un singolo e grande Osservatorio Gravitazionale, a cui può accedere la comunità scientifica mondiale. Ogni interferometro è lungo 4 chilometri e presenta una forma a “L”, i due bracci sono disposti ad angolo retto. I laser viaggiano avanti e indietro all’interno di tubi a vuoto spinto (diametro 1,2 metri) che permettono di misurare con una precisione elevatissima la distanza degli eventi tra i due specchi di super precisione su cui si riflettono questi raggi. La tecnica utilizzata è quella dell’Interferometria: lo specchio semitrasparente suddivide il fascio laser in due parti, poi inviate nei due bracci a “L” dell’interferometro fino a incontrare altri due specchi che rimbalzano il laser. E proprio questi specchi sono i veri sensori: passando attraverso i rilevatori, le onde gravitazionali disturbano, anche se di pochissimo, il viaggio dei fasci laser e questo lieve disturbo è stato finalmente registrato. Questi cambiamenti sono piccolissimi, la centomilionesima parte del diametro di un atomo di Idrogeno, impercettibili increspature che possono essere rilevate solo isolando le masse di prova da tutti i disturbi provenienti dall’esterno, come appunto le vibrazioni sismiche della terra o le molecole di gas presenti nell’aria. All’interno dei due tunnel, interamente schermati con il cemento, c’è un vuoto ultra-spinto. Le lievi variazioni nelle distanze delle masse sono la prova del passaggio dell’onda gravitazionale. Una volta “catturata” l’onda gravitazionale, per risalire anche all’evento che l’ha generata bisogna capire da dove proviene. E per determinare l’esatta posizione celeste (triangolazione) saranno fondamentali dati provenienti da più strumenti localizzati in diverse parti del mondo. Per questo la “caccia” alle onde gravitazionali impegna ricercatori di diverse istituzioni. Lo stesso LIGO fa parte di un network internazionale di O Osservatori come GEO 600, vicino ad Hannover in Germania, TAMA a Tokyo in Giappone e Virgo a Pisa in Italia. Per i fisici americani del gruppo di Kip Thorne, come emerso nella conferenza stampa, è fondamentale la collaborazione degli colleghi scienziati europei e italiani. Proprio al software italiano e alla collaborazione LIGO-Virgo dobbiamo l’analisi dei dati che ha portato alla scoperta di Thorne. Secondo Valeria Ferrari, professoressa di Relatività Generale al Dipartimento di Fisica dell’Università La Sapienza di Roma, ricercatrice dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e studiosa da anni delle sorgenti di onde gravitazionali, “sebbene attualmente Virgo non sia ancora in funzione, c’è un accordo tra gli scienziati di Virgo e di LIGO per effettuare insieme l’analisi dei dati e ci sono protocolli severissimi di validazione dei risultati sottoscritti da entrambi. Quindi anche se i dati attualmente sono presi solo dall’esperimento americano, o in futuro potrebbe accadere l’opposto, questi vengono analizzati dalla collaborazione e sono patrimonio comune”. Decisivo quindi sarà Virgo quando finalmente entrerà in funzione. “La rete di rivelatori sarà più potente – conferma la scienziata – perché con opportune tecniche di analisi dei dati delle tre antenne sarà possibile ridurre il rumore ed estrarre i segnali con maggiore affidabilità. Inoltre attualmente non è possibile localizzare la posizione di una sorgente, perché i due rivelatori americani non sono sufficienti. Con l’entrata di Virgo le sorgenti potranno essere localizzate in una regione di cielo sufficientemente piccola; questo permetterà di cercare con i telescopi o i satelliti che osservano il cielo nella banda elettromagnetica, le controparti elettromagnetiche delle sorgenti gravitazionali e quindi di avere maggiori informazioni sulle sorgenti e sui processi fisici in gioco. Per esempio, se si osserverà il segnale gravitazionale emesso durante la coalescenza di due stelle di neutroni in coincidenza con un Gamma Ray Burst, potremo stabilire l’origine di questi Lampi di emissione gamma di grandissima energia, che al momento è ancora sconosciuta. Le onde gravitazionali, a differenza di quelle elettromagnetiche, interagiscono molto poco con la materia. Quindi se una sorgente molto lontana emette onde dei due tipi, mentre le elettromagnetiche arrivano ai nostri rivelatori ormai modificate dalle molte interazioni con la materia che incontrano lungo il cammino – spiega la Ferrari – quelle gravitazionali arrivano praticamente inalterate; quindi conservano le informazioni sulla sorgente che le ha emesse. Con le onde gravitazionali potremo studiare, e scoprire, sorgenti molto lontane e magari mai viste prima e questo allargherà moltissimo il nostro orizzonte scientifico. I rivelatori gravitazionali aprono una nuova finestra di osservazione sull’Universo”. L’Italia è impegnata nella ricerca delle onde gravitazionali dagli Anni ’60 del secolo scorso, quando il gruppo diretto dal professor Amaldi costruì le prime antenne che, a quei tempi erano dei cilindri di alluminio di più di 2000 kg. “Negli Anni ‘70 cominciò la costruzione dei rivelatori interferometrici che ha portato all’antenna Virgo di seconda generazione che sta per entrare in funzione. Fin dall’inizio l’Infn – osserva la ricercatrice – ha avuto un ruolo fondamentale, non solo perché ha cofinanziato i vari progetti, ma anche perché ha fornito strutture e personale che ha validamente affiancato il personale universitario. In tutti questi anni l’Italia è stata in prima linea, sia nella realizzazione di tecnologie avanzate (adottate anche dagli americani) che hanno permesso di raggiungere le attuali sensibilità dei rivelatori, sia nello studio teorico e fenomenologico delle sorgenti e dei segnali attesi. Negli ultimi anni, l’interazione tra Virgo e LIGO si è rafforzata attraverso la sottoscrizione di accordi per l’analisi dei dati e di protocolli per la validazione e la comunicazione dei risultati. Si può dire quindi che Italia e Stati Uniti corrono insieme in questa fantastica avventura”. Non è più fantascienza l’esistenza delle onde gravitazionali, increspature dello spaziotempo prodotte da fenomeni cosmici molto violenti. Oggi è stata dimostrata l’esattezza di tale intuizione e sarebbe stato davvero bello poter chiedere direttamente al grande Albert Einstein un commento sulla scoperta di Kip Thorne e colleghi. Vincenzo Palermo, ricercatore del Cnr, autore di un divertente libro sull’illustre scienziato germanico e americano, “La versione di Albert”, ci offre il destro per l’impresa audace. Da ormai una decina d’anni le speranze in tal senso si rincorrevano, l’aspettativa poi negli ultimi giorni era allo spasmo, complice l’ormai celebre “tweet” del fisico Lawrence Krauss, autore della “Fisica di Star Trek”, altro libro da biblioteca scientifica. Ora la notizia c’è! Le onde gravitazionali sono state finalmente rilevate e ci troviamo davanti a quella che dai più è ritenuta la scoperta del XXI Secolo. Fino alla prossima, naturalmente. Una conferma indiretta già era arrivata attraverso l’osservazione delle perturbazioni generate da un sistema binario di stelle di neutroni che perde energia esattamente secondo l’equazione di Einstein, ma le conferme dirette sono arrivate solo oggi con i risultati della collaborazione LIGO-Virgo. La paternità dell’intuizione che ha portato a questa scoperta epocale è sempre di Albert Einstein, che a 60 anni dalla morte è per la Scienza quello che Maradona è per il calcio, con milioni di pagine web dedicate e una presenza da record nelle ricerche degli utenti. “Sembra che l’idea chiave sia venuta a Einstein vedendo un imbianchino cadere da un’impalcatura . O forse, invece – osserva Palermo – usò uno dei suoi famosi esperimenti mentali, immaginando un uomo chiuso dentro un ascensore nello spazio. L’uomo nell’ascensore non può sapere se la forza che lo tiene attaccato al pavimento è dovuta alla Gravità o all’accelerazione, quindi la conclusione di Einstein era che accelerazione e Gravità erano equivalenti, e dovevano avere gli stessi effetti. Una delle prime sconcertanti conclusioni di questo pensiero era che la Gravità era in grado di curvare la luce. Se un raggio di luce entrava da un buco nella parete dell’ascensore, l’uomo lo avrebbe visto curvare, perché la velocità dell’ascensore aumentava ogni secondo a causa dell’accelerazione. Se la luce curvava a causa di un’accelerazione, doveva curvare anche a causa della Gravità”. Com’era possibile ciò, dato che la luce è notoriamente priva di massa? “I marinai sanno benissimo che la rotta più breve per unire due punti su un mappamondo non è mai una linea retta, a causa della curvatura della Terra; Einstein immaginò, in maniera simile, che anche lo spazio fosse curvo come la superficie terrestre. Questo spiegava anche come mai la luce, priva di massa, potesse curvare a causa della Gravità. La luce seguiva il percorso più breve dovuto alla curvatura dello spazio. Come nel caso di una nave sulla superficie terrestre, questo percorso non era una retta ma una curva. Quando un oggetto molto pesante accelera, modifica la curvatura locale nello spazio, producendo increspature simili a quelle lasciate da un motoscafo che naviga in mare. Einstein era spinto da una visione armoniosa del mondo, un’assoluta certezza che l’Universo fosse regolato da leggi semplici e generali. Una delle sue frasi più famose è: “Sottile è il Signore, ma non malizioso”. Il significato della frase, come Einstein spiegò, era semplice: Dio può nascondere all’Uomo le leggi con cui regola l’Universo, ma non lo farà mai in maniera ingannevole. Nella visione di Einstein la Scienza è come una partita a scacchi tra l’Uomo e Dio. Il premio è la conoscenza dell’Universo. Dio può anche rendere difficile il compito dello scienziato nascondendo la verità in indizi impercettibili, ma non lascerebbe mai indizi falsi per sviare l’indagine scientifica. “Sono sicuro – diceva Einstein – che la Natura ci stia mostrando solo la coda del leone. Ma non ho dubbi che il leone sia da qualche parte là fuori, anche se noi non lo possiamo vedere tutto a causa delle sue enormi dimensioni”. Per Einstein le leggi di Dio erano una preda da cacciare, e lui (buono e mansueto di natura) era nella Scienza un cacciatore spietato e implacabile”. Il Nobel del 1921 non gli fu attribuito per la Teoria della Relatività Generale. “La massima soddisfazione di Einstein era elaborare una nuova teoria, svelare un altro pezzo del leone. Una volta convinto che la sua idea fosse giusta, le eventuali conferme sperimentali erano per lui quasi scontate. Probabilmente commenterebbe la scoperta delle onde gravitazionali così come fece nel 1919, quando le misure fatte durante un’eclissi confermarono finalmente che la Gravità curvava la luce delle stelle”. Alla notizia, una sua collaboratrice presente nella stanza si mostrò molto più eccitata e contenta di Einstein, che invece prese la notizia con noncuranza. “Sapevo già – disse Einstein – che la teoria era giusta”. Sì – chiese la donna – ma cosa avrebbe fatto se gli esperimenti avessero dimostrato che era sbagliata? “In quel caso mi sarebbe dispiaciuto per il buon Dio; la teoria è giusta”. La Relatività Generale afferma che il tessuto spazio-temporale viene deformato da qualunque oggetto che abbia massa-energia. Maggiore è la massa dell’oggetto, maggiore sarà la curvatura. Una delle previsioni più affascinanti della Teoria di Einstein è che accelerando una massa, in condizioni di assenza di particolari simmetrie nel sistema, si provoca un’increspatura nel tessuto spaziotemporale, e che questa increspatura si propaga sotto forma di onde gravitazionali. Quando un’onda gravitazionale passa tra la sorgente e l’osservatore, lo spaziotempo che li separa viene curvato e, in prima approssimazione, si allunga e si contrae ritmicamente. L’intensità di questo effetto diminuisce all’aumentare della distanza della sorgente, tanto che, anche immaginando di osservare due oggetti molto massicci che spiraleggiano uno verso l’altro, le enormi distanze che li separano da noi portano le stime a deformazioni dell’ordine di una parte su 10 alla 20ma potenza! A peggiorare le possibilità di rilevazione c’è anche il fatto che, per poterli catturare, questi debolissimi segnali devono riuscire ad emergere da un intenso rumore di fondo. Per questo motivo la conferma empirica dell’esistenza delle onde gravitazionali è rimasta a lungo lontana dalle nostre possibilità tecniche. Nel corso degli ultimi decenni sono state raccolte numerose prove indirette dell’emissione di onde gravitazionali da parte di una serie di corpi celesti. Uno dei test più significativi è lo studio dell’evoluzione dei sistemi binari di oggetti compatti, come due stelle Pulsar di neutroni, in rotazione attorno a un centro di massa comune. La Relatività Generale prevede infatti che sistemi di questo tipo spiraleggino verso la fusione dei due oggetti e che l’evoluzione dei loro parametri orbitali debba tener conto dell’emissione di onde gravitazionali, sempre sulla base della conservazione del momento angolare. Nel 1993 il Nobel per la Fisica viene assegnato a Russell Hulse e Joseph Taylor per la scoperta di PSR B1913+16, il sistema di due Pulsar che ha permesso di verificare con precisione estrema le previsioni della Relatività Generale, raggiungendo un limite di confidenza pari al 99.8%. Nel 2003, la scoperta di PSR J0737-3039, un sistema simile ma molto più estremo, da parte di un team internazionale guidato da Marta Burgay dell’Osservatorio Astronomico Inaf di Cagliari ha condotto a battere ogni record precedente. L’eccezionalità di questo sistema solare alieno risiede nel fatto che le due stelle si trovano più vicine rispetto al caso di PSR B1913+16, che stiamo osservando l’orbita quasi perfettamente di taglio e che siamo stati in grado di captare il segnale da entrambe le Pulsar. Tutte queste caratteristiche hanno permesso di testare la Relatività Generale arrivando a un livello di confidenza pari al 99.95%. Un po’ meglio di LIGO. Numeri che fanno girare la testa. Ma ora le menti sono già puntate avanti, verso nuove rilevazioni e osservazioni di “follow up” per indagare più a fondo in questa nuovo campo della conoscenza. Tutti i telescopi spaziali e terrestri sono alla ricerca della controparte elettromagnetica dell’evento visto da LIGO. Inutile dire che altrimenti sono chiacchiere! Si apre così una nuova finestra di osservazione dell’Universo. Le onde gravitazionali sono rimaste a lungo un segnale sfuggente del Cosmo, così sfuggente che ci sono voluti cento anni dalla formulazione di Einstein. Ora non ci sono più scuse per riprogrammare i nostri cervelli con una mentalità interstellare. Secondo Andrea Possenti, astrofisico dell’Osservatorio Astronomico Inaf di Cagliari, responsabile della scoperta del sistema binario PSR J0737-3039, la doppia pulsar che ha permesso di testare la Relatività Generale a un livello di confidenza mai raggiunto prima grazie all’emissione di onde gravitazionali del sistema, “in generale le onde gravitazionali si generano quando grandi masse subiscono forti accelerazioni e il processo di accelerazione rompe ogni eventuale simmetria di tipo sferico o cilindrico che fosse preesistente. Partiamo dal caso, più facile da seguire con l’intuizione, di due stelle compatte, come due stelle di neutroni. Quando le due stelle stanno per venire a contatto ognuna perde l’identità propria e si forma come un bozzolo caotico di materia. La forma di tale bozzolo di materia in coalescenza è naturalmente molto irregolare e inoltre, cosa ancora più importante, la forma stessa del bozzolo muta rapidissimamente. Ciò corrisponde a una situazione in cui le varie parti del bozzolo subiscono fortissime accelerazioni. Ricordando che le varie parti del bozzolo sono tutte molto massicce, possiamo immaginarle come se ognuna fosse emettitrice di intense onde gravitazionali. L’emissione complessiva di onde gravitazionali è dunque breve e intensa e cessa poco dopo che il bozzolo si è assestato in uno stato finale. Nel caso di due Buchi Neri, che non hanno una superficie fisica, ma solo un Orizzonte degli Eventi, la similitudine col bozzolo di materia è molto meno intuitiva e bisogna dunque rifarsi alle simulazioni di Relatività Numerica, ma i concetti di base restano gli stessi. Fra l’altro, il menzionato meccanismo di emissione di onde gravitazionali (legato a grandi masse sottoposte a intense accelerazioni) è alla base dell’emissione di onde gravitazionali anche nel caso delle fasi precedenti della evoluzione orbitale delle due stelle, in cui la loro orbita si stringe e quindi esse spiraleggiano una verso l’altra. L’emissione di onde gravitazionali durante questa fase di restringimento lento dell’orbita avviene però a frequenze e con una intensità molto più basse rispetto all’emissione di onde gravitazionali durante la fase di coalescenza finale”. Cosa c’è di speciale nel sistema rilevato da LIGO? “Finora si avevano solo prove indiziarie dell’esistenza di sistemi binari formati da due Buchi Neri di massa stellare, in particolare si erano al più catalogati 2 o 3 sistemi binari che apparivano buoni candidati a diventare, ma solo in un futuro non vicinissimo, coppie di Buchi Neri. La carenza di sistemi accertati è legata alle grossissime difficoltà ad individuarli con osservazioni elettromagnetiche. La scoperta di LIGO apre ora scenari del tutto nuovi nella capacità di catalogare un gran numero di questi oggetti. Curiosamente – osserva Possenti – si avevano e si hanno molte più informazioni elettromagnetiche su un diverso tipo di binarie formate da Buchi Neri, ossia quelle composte da Buchi Neri supermassicci posizionati al centro di galassie (tali Buchi Neri non sono il risultato diretto di un processo di evoluzione stellare). Alcuni di questi Buchi Neri supermassicci stanno probabilmente spiraleggiando e molti di essi si sono fusi tra loro in epoche remote. In ogni caso, per sperare di catturare le onde gravitazionali emesse da queste binarie di Buchi Neri supermassicci sono necessari rivelatori di tipo diverso rispetto a LIGO e a Virgo. In particolare servono o un interferometro nello spazio (battezzato eLisa, il cui lancio è previsto per gli Anni ‘30) oppure i cosiddetti Pulsar Timing Array che sono invece già attivamente impiegati in questa ricerca da alcuni anni e che sfruttano l’utilizzo di potenti radiotelescopi, fra cui il Sardinia Radio Telescope dell’Inaf”. Ecco perchè la prima sorgente scoperta di onde gravitazionali è stata una binaria di Buchi Neri. “La scoperta nel 2003 del sistema binario PSR J0737-3039 aveva giustamente ringalluzzito le speranze dei cacciatori di onde gravitazionali – rivela Possenti – mostrando che le probabilità di osservare la coalescenza di due stelle di neutroni erano 5 o 6 volte maggiori di quanto ritenuto in precedenza. Successivamente, studi puramente teorici circa l’evoluzione di coppie di Buchi Neri hanno mostrato che il numero di fusioni osservate, dovute a sistemi binari di Buchi Neri stellari, poteva essere comparabile, o anche significativamente superiore, al numero di quelle dovute a sistemi formati da due stelle di neutroni. Non appare dunque strano che la prima onda gravitazionale catturata provenga alfine da un sistema di due Buchi Neri”. Primordiali dal nostro punto di vista terrestre. Cambiano, a questo punto, le stime di coalescenza di oggetti compatti. “Sicuramente tutte le stime teoriche, sempre molto complicate e legate a una serie di assunzioni ad hoc – rileva Possenti – verranno sottoposte alla prova dei fatti. E quando si sarà collezionato un numero significativo di coalescenze, la distribuzione statistica dei parametri di questi eventi sarà utilissima per chiarire molti punti tuttora irrisolti nell’evoluzione stellare e orbitale che porta alla formazione di una coppia di Buchi Neri, di una coppia di stelle di neutroni e di una coppia (molto più rara, a quel che dicono gli studi teorici attuali) formata da un Buco Nero e da una stella di neutroni. Sarà un primo esempio di una lunghissima serie di studi resi finalmente possibili dalla nascita, oggi celebrata, dell’Astrofisica delle onde gravitazionali”. Questa volta pare tutto vero. E in questa che molti già chiamano “la scoperta del secolo” c’è anche la firma del Gran Sasso Science Institute (GSSI), 8 firme per l’esattezza, tra cui quelle di sei giovani ricercatori provenienti da Italia, Cina, India e Pakistan: Lorenzo Aiello (25 anni, Italia); Eugenio Coccia (59, Italia); Viviana Fafone (51, Italia); Imran Khan (25, Pakistan); Matteo Lorenzini (38, Italia); Akshat Singhal (24, India); Shubhanshu Tiwari (26, India) e Gang Wang (30, Cina). La ricerca pubblicata su Physical Review Letters (http://ligo.org/science/Publication-GW150914/index.php) è destinata a rivoluzionare il modo di studiare l’Universo. “È un momento emozionante e indimenticabile: ho speso 35 anni della mia vita in queste ricerche – dichiara il Professor Eugenio Coccia, Direttore del GSSI – ed è meraviglioso avere in un sol colpo osservato le onde gravitazionali e dimostrato l’esistenza dei Buchi Neri. L’Umanità acquista un nuovo senso: d’ora in poi non solo vedremo il Cosmo, ma ascolteremo le sue vibrazioni, la sua musica”. Se finora abbiamo studiato l’Universo principalmente grazie alla “vista” garantita dai “nostri fotoni” che arrivano dalle stelle, saper captare le onde gravitazionali ci consente di ascoltare eventi cosmici finora inaccessibili. A questa impresa mondiale hanno collaborato 1004 ricercatori appartenenti a 133 istituzioni scientifiche di tutto il mondo. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, di cui il GSSI è il Centro di Studi Avanzati, è molto rappresentato e sono del GSSI alcuni tra i più giovani ricercatori coinvolti. Con l’annuncio ufficiale della prima rivelazione di un’onda gravitazionale da parte dell’interferometro LIGO, si apre una nuova era per la ricerca astrofisica, in cui l’Italia con Istituto Nazionale di Astrofisica gioca un ruolo da protagonista a livello mondiale. Da adesso diventa determinante infatti individuare e caratterizzare cosa produce le onde gravitazionali, indagando in ogni banda dello spettro elettromagnetico, dalle onde radio fino ai raggi gamma. Per far questo sono stati già stati avviati importanti programmi osservativi che coinvolgono gruppi di ricerca Inaf, supportati da dati raccolti con strumentazione da Terra e dallo spazio. “Quella del gruppo LIGO-Virgo è una scoperta epocale che apre nuovi orizzonti per l’Astrofisica e vede il nostro Istituto già proiettato nelle osservazioni delle possibili sorgenti di onde gravitazionali nell’Universo”, rivela Nicolò D’Amico, presidente dell’Inaf. L’allerta inviato da LIGO in seguito al possibile passaggio di un’onda gravitazionale nel Settembre 2015, poi confermato, vede il contributo dell’Inaf, con telescopi terrestri, nella ricerca della elusiva sorgente che può aver prodotto quel segnale. Grazie a uno specifico accordo con i gruppi di ricerca degli interferometri LIGO e Virgo, quando un possibile segnale gravitazionale viene rivelato, i ricercatori dell’Inaf vengono avvisati e hanno accesso ai dati sulla stima della posizione in cielo da cui proviene l’eventuale onda gravitazionale. Su questa base è stato avviato il progetto Inaf “Gravitational Wave Astronomy with the first detections of adLIGO and adVIRGO experiments” il cui “principal investigator” è Enzo Brocato, dell’Osservatorio Astronomico Inaf di Roma. “Per l’evento del Settembre 2015 – rivela Brocato – il nostro team Inaf, che lavora 24 ore su 24 ed è composto da ricercatori di Napoli, Roma, Milano, Urbino, Bologna, Padova, Pisa e Cagliari, è stato in grado di rispondere rapidamente all’allerta e iniziare le osservazioni ai telescopi. Siamo stati tra i primi ad attivare le osservazioni da Terra e abbiamo monitorato circa 100 gradi quadrati con il telescopio VST installato all’Osservatorio di Paranal dell’Eso sulle Ande cilene. Le nostre prime analisi sembrano confermare la difficoltà, previste dalla Teoria, di individuare nella banda elettromagnetica eventi di coalescenza di due Buchi Neri. Come sapevamo, scoprire una controparte elettromagnetica astrofisica di un’onda gravitazionale è una ricerca complessa, ma è proprio questo che ci spinge a fare sempre meglio!”. La ricerca oltre alla banda ottica si estende a tutte le lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma. Per far questo i ricercatori utilizzano anche i telescopi che lavorano nello spazio come: Swift, missione della Nasa con partecipazione di Italia e Regno Unito, che osserva nelle bande della luce ultravioletta, i raggi X e gamma; Fermi, missione della Nasa con importanti contributi da Italia, Giappone, Francia e Svezia, dedicata allo studio dell’Universo nei raggi gamma; e la missione tutta italiana AGILE. Nelle quali l’Inaf ha importanti partecipazioni, portate avanti con il supporto dell’Agenzia Spaziale Italiana. “Dopo più di cinquant’anni di ricerca, la rivelazione diretta di onde gravitazionali ci permetterà di aprire un nuovo capitolo dell’Astrofisica, basato su una nuova tecnica osservativa mai sfruttata in precedenza – rileva Roberto Battiston, Presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana – in questo ambito gli esperimenti spaziali giocheranno un ruolo decisivo sia contribuendo a localizzare le sorgenti gravitazionali per mezzo di segnali luminosi (raggi X e raggi gamma) sia realizzando interferometri come quelli realizzati sulla Terra ma milioni di volte più grandi e sensibili, posti nello spazio, strumenti di cui l’esperimento Lisa Pathfinder recentemente messo in orbita con l’ultimo lancio del vettore Vega è il precursore”. Tra i ricercatori dell’Inaf, coinvolti nella ricerca di sorgenti di onde gravitazionali con missioni spaziali, troviamo anche il team di INTEGRAL, il satellite dell’Agenzia Spaziale Europea per l’astrofisica nei raggi X e gamma. “INTEGRAL viene costantemente allertato in tempo reale dai colleghi di LIGO quando rivelano l’arrivo sulla terra di segnali gravitazionali, come nel caso dell’evento del Settembre scorso – osserva Pietro Ubertini, direttore dell’Inaf-Iaps e responsabile del gruppo italiano per la ricerca delle sorgenti di onde gravitazionali con Integral – l’esperimento LIGO ha rivelato un segnale gravitazionale di notevole intensità ma non è stato in grado di decifrare la direzione di arrivo. Quindi nulla sappiamo sulla sorgente cosmica che ha causato questa collisione tra Buchi Neri né dove sia esattamente nel cielo: una galassia gigante? Due Buchi Neri isolati che viaggiano nello spazio? È quanto cerchiamo di scoprire anche con INTEGRAL, grazie al suo grande campo di vista ed elevata sensibilità”. Come scrive il Presidente Nichi D’Amico dell’Inaf, “cento anni fa Albert Einstein formulava la Teoria della Relatività Generale. Un affascinante ed elegante impianto matematico. La Teoria ha profonde implicazioni per la Gravitazione, e dimostra i limiti della concezione di Newton. A molti la cosa potrebbe apparire come un semplice, anche se elegante, esercizio intellettuale, dato che in fondo “la mela di Newton” continua a cadere a terra come prima. In realtà la Teoria di Einstein ha introdotto spettacolari cambiamenti, non solo nella comprensione dell’Universo ma anche nella nostra vita. Basti pensare al GPS, un dispositivo che non potrebbe funzionare senza il trattamento delle orbite dei satelliti tramite appunto la Teoria di Einstein. Uno degli aspetti più accattivanti di questa Teoria è la curvatura dello spaziotempo generata da una massa nei suoi dintorni. Una delle conseguenze di questo fenomeno di curvatura è il fatto che, se due masse orbitano una attorno all’altra, la deformazione dello spazio da esse prodotta genera un moto ondoso dello spazio che si propaga, le cosiddette onde gravitazionali: la mela di Newton posta nella vicinanze di un sistema di stelle che ruotano una attorno all’altra (un sistema binario) comincia a oscillare! Fino a oggi abbiamo avuto prove indirette dell’esistenza di onde gravitazionali. Per esempio, abbiamo scoperto sistemi binari la cui orbita si restringe proprio per la perdita di energia dovuta all’emissione di onde gravitazionali. Si prevede che, alla fine del processo di avvicinamento, le due stelle collassino l’una sull’altra provocando un “burst” di onde gravitazionali: un evento che in gergo definiamo “merger”. Ricordo con emozione la nostra scoperta, nel 2003, di un sistema binario il cui “decadimento orbitale” era straordinariamente elevato, cioè un sistema relativamente vicino alla fase finale di “merger”. L’articolo, pubblicato su Nature, fece il giro del mondo, rivitalizzando l’interesse della comunità per la ricerca diretta di onde gravitazionali, attraverso sofisticati apparati di misura come quelli di LIGO e Virgo. Il sofisticato rivelatore di LIGO – una coppia di tunnel lunghi quattro chilometri in cui viene misurata con incredibile accuratezza la propagazione di un raggio laser, sensibile a eventuali deformazioni dello spazio-tempo prodotte dal passaggio di onde gravitazionali – ha rivelato un “burst” di onde gravitazionali proveniente da un “merger” costituito da due buchi neri. Questa è indubbiamente una scoperta da Premio Nobel! Questo risultato apre un nuovo “canale” per osservare l’Universo, che ci porterà alla scoperta di nuove sorgenti e di nuovi fenomeni. E qui si apre un grande futuro per l’Inaf. Osservare a fondo con i nostri potenti telescopi queste nuove sorgenti e studiarne la natura. I nostri gruppi di ricerca hanno già un accordo con LIGO e Virgo che ci consente di essere allertati in tempo reale per puntare i nostri potenti telescopi, radiotelescopi, satelliti X e gamma per scoprire la natura di queste nuove e intriganti sorgenti di onde gravitazionali. Si apre una nuova frontiera, sulla quale la comunità astronomica italiana è in prima linea. Fioriranno nuove idee, saranno messi a punto nuovi strumenti, ancora una volta ci cimenteremo, in collaborazione con l’industria nazionale, nello sviluppo di nuovi apparati, con grandi ritorni scientifici e tecnologici per il Paese”. Le onde gravitazionali portano informazioni sulle loro violente origini e sulla natura della Gravità, informazioni che non possono essere ottenute in altro modo. I fisici hanno determinato che le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due Buchi Neri in un unico Buco Nero ruotante più massiccio. Questo processo era stato previsto ma mai osservato prima. L’importante risultato, pubblicato oggi sulla rivista scientifica Physical Review Letters, è stato ottenuto, grazie ai dati dei due rivelatori LIGO, dalle Collaborazioni Scientifiche LIGO (che include la Collaborazione GEO600 e l’Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) e Virgo, che fa capo allo European Gravitational Observatory (EGO), fondato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) italiano e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese. La scoperta è stata annunciata dalle collaborazioni LIGO e Virgo nel corso di due conferenze simultanee, negli Stati Uniti a Washington Dc, e in Italia a Cascina (Pisa), nella sede di EGO, il laboratorio nel quale si trova l’interferometro VIRGO, progetto ideato, realizzato e condotto dall’Infn e dal CNRS con il contributo di Nikhef (Paesi Bassi), e in collaborazione con POLGRAW – Polska Akademia Nauk (Polonia) e Wigner Institute (Ungheria). “Questo risultato rappresenta una pietra miliare nella storia della Fisica, ma ancor più è l’inizio di un nuovo capitolo per l’Astrofisica – rivela Fulvio Ricci, ricercatore dell’Infn che coordina la collaborazione internazionale Virgo, e professore a La Sapienza Università di Roma – perché nei prossimi anni continueranno ad arrivare altri importanti risultati dagli interferometri LIGO e Virgo, che oggi sono organizzati in un’unica rete globale di rivelatori di onde gravitazionali. Osservare il Cosmo attraverso le onde gravitazionali cambia radicalmente le nostre possibilità di studiarlo: fino ad ora è come se lo avessimo guardato attraverso delle radiografie, mentre adesso siamo in grado di fare l’ecografia del nostro Universo”. Insomma, “sembrava una sfida impossibile, come sostenuto dallo stesso Einstein, che reputava questi segnali troppo deboli per una possibile rivelazione, invece ci siamo riusciti – osserva Pia Astone, ricercatrice Infn – finalmente possiamo osservare l’Universo con occhi diversi; non è un caso, infatti, che la prima misura diretta di ampiezza e fase delle onde gravitazionali sia stata accompagnata da un’altra importante scoperta, quella della fusione di un sistema binario di Buchi Neri. Non va dimenticato che il risultato è il coronamento del lavoro di tanti anni di molte persone, lavoro svolto con il costante supporto dei nostri enti finanziatori, primo fra tutti l’Infn. E adesso proseguiremo il nostro lavoro, non più domandandoci se ce la faremo, ma piuttosto quale sarà la prossima sorgente che manderà un segnale sui nostri rivelatori. Noi siamo pronti”. La Teoria della Relatività Generale che Albert Einstein arrivò a formulare nel 1915 descrive la Gravità come una manifestazione della curvatura dello spaziotempo. Lo spaziotempo è come un tessuto, ma a quattro dimensioni: le tre spaziali note più il tempo. Secondo la Relatività Generale esso permea tutto l’Universo, viene deformato dai corpi e perturbato da masse in movimento. Queste perturbazioni sono appunto le onde gravitazionali che, dalla loro sorgente si diffondono in modo analogo alle increspature sulla superficie di uno stagno, viaggiando alla velocità della luce. “Questo risultato rappresenta un regalo speciale per il 100.mo compleanno della Relatività Generale – rileva il Professor Fernando Ferroni, Presidente dell’Infn – il sigillo finale sulla meravigliosa Teoria che ci ha lasciato il genio di Albert Einstein. Ed è anche una scoperta che premia il gruppo di scienziati che ha perseguito questa ricerca per decenni, cui l’Italia ha dato un grande contributo, figlio di quella Scuola che negli Anni ‘70 del secolo scorso si formò intorno alle figure di Edoardo Amaldi, Guido Pizzella, Adalberto Giazotto, e che oggi vede i nostri ricercatori protagonisti anche grazie alla tecnologia di Virgo, l’interferometro italo-francese a Cascina”. Per Federico Ferrini, direttore di EGO, “questo risultato è una grande soddisfazione, per il suo fondamentale contributo alle nostre conoscenze e perché è frutto dell’impegno congiunto delle due collaborazioni LIGO e Virgo che bene rappresenta lo spirito proprio del mondo della ricerca, alla base del successo dei grandi progetti scientifici”. Cioè, la Pace mondiale. Essenziale. “Questa collaborazione internazionale sancita per la prima volta dall’accordo del 2007 ed estesa nel 2014 – spiega Ferrini – prevede lo scambio di soluzioni tecnologiche, il coordinamento nelle attività di ricerca e nelle campagne di presa dati, e la condivisione e l’analisi congiunta dei dati originali”. Per capire meglio l’Universo e la sua evoluzione è necessario poter ricevere e interpretare tutti i messaggi che giungono dallo spazio profondo. Rispetto alla radiazione elettromagnetica, che fino ad oggi è stata di gran lunga il principale mezzo di osservazione astronomica, le onde gravitazionali hanno una natura totalmente diversa, essendo generate dal moto dei corpi celesti e riuscendo a trasportare intatta l’informazione sul fenomeno che le ha originate. L’osservazione delle onde gravitazionali fornisce così informazioni significative e complementari a quelle ottenibili con le onde elettromagnetiche (luce, onde radio, raggi X e gamma) e le particelle elementari (raggi cosmici, neutrini) di origine astrofisica. Saranno così svelati aspetti dell’Universo finora inaccessibili: i processi più drammatici del Cosmo sono sorgente di onde gravitazionali e l’osservazione di tali onde consente di ottenere informazioni sulle masse e sui meccanismi coinvolti nell’emissione. Contrariamente ai telescopi che possono osservare solo una piccola porzione del cielo alla volta, i rivelatori di onde gravitazionali sono per loro natura non direzionali e sono quindi in ascolto di un grande volume di Universo, il cui raggio è ovviamente determinato dalla sensibilità dei rivelatori. Inoltre, la misura del fondo stocastico gravitazionale, che può essere originato da sorgenti cosmologiche oltreché astrofisiche, porterà informazioni sull’Universo primordiale a un tempo molto prossimo al momento del Big Bang. “Questa straordinaria scoperta apre un’emozionante finestra sull’Universo – rivela Antonio Masiero, vicepresidente dell’Infn e vicepresidente del Council di EGO – da oggi le onde gravitazionali si aggiungono ai messaggeri cosmici che già studiamo, come i fotoni e i neutrini di alta energia, i raggi cosmici e l’antimateria. L’Astronomia gravitazionale è una nuova affascinante frontiera dell’incessante esplorazione cosmica che vede da sempre l’Infn in prima linea”. Ogni nuovo strumento di osservazione della Natura ha permesso di fare scoperte impreviste negli ultimi 400 anni, dai tempi di Galilei, che hanno arricchito la nostra conoscenza e spesso rivoluzionato la nostra immagine del mondo. È quindi probabile che gli unici interferometri avanzati al mondo per la rivelazione di onde gravitazionali, Advanced LIGO e Advanced VIRGO, progetto quest’ultimo in cui l’Infn ha fortemente creduto e ha da sempre sostenuto, ci riveleranno aspetti totalmente inattesi dell’Universo. Rivelare le onde gravitazionali è un’impresa complessa perché l’interazione gravitazionale è la più debole dell’Universo. “Ho accolto questa notizia con grande gioia – osserva Adalberto Giazotto, fisico dell’Infn e “papà” di Virgo – sono molto contento di questo risultato che rappresenta il coronamento di una linea di ricerca che avevamo iniziato noi di Virgo decine di anni fa. Siamo stati i primi a dire che era necessario costruire un rivelatore capace di osservare onde gravitazionali anche di bassa frequenza. È stato il più grande avanzamento nella tecnologia degli interferometri da quando si sono iniziati a realizzare questi rivelatori, negli Anni ‘80 del Novecento. Virgo è stato, infatti, il primo rivelatore al mondo capace di scendere alle basse frequenze, cui ha fatto seguito il progetto americano Advanced LIGO”. La scoperta di Kip Thorne è stata resa possibile grazie ad Advanced LIGO, un importante aggiornamento tecnologico che ha aumentato la sensibilità degli strumenti di prima generazione dei rivelatori LIGO. Questo consente oggi di sondare un volume di Universo di gran lunga maggiore che in precedenza e ha così permesso la scoperta delle onde gravitazionali durante la prima fase di osservazione. Anche l’interferometro per onde gravitazionali Virgo sta ultimando l’implementazione delle nuove tecnologie della fase Advanced VIRGO, che ne aumenteranno la sensibilità. I lavori si concluderanno nella seconda metà del 2016, quando Virgo, nell’ambito degli accordi LIGO-Virgo per il coordinamento delle campagne di presa dati, entrerà in funzione. “Con il supporto costante dell’Infn, degli altri enti finanziatori e di EGO, stiamo completando Advanced VIRGO – spiega Giovanni Losurdo, ricercatore Infn e coordinatore internazionale del progetto Advanced Virgo – che a fine anno si unirà ai due LIGO per formare una rete mondiale di rivelatori avanzati: l’aggiunta di Advanced Virgo sarà fondamentale perché permetterà di capire da quale parte del cielo è arrivato il segnale. E, come ci insegna l’esperienza di Galilei, quando si punta al cielo uno strumento di osservazione nuovo c’è sempre tanto da imparare e da scoprire”. L’Osservatorio Gravitazionale Europeo EGO è responsabile per il funzionamento e la gestione di Virgo, progetto nato dall’originale idea dell’italiano Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet, e la cui collaborazione scientifica oggi conta circa 250 fisici e ingegneri, di cui la metà dell’Infn, provenienti da 19 Laboratori europei. L’Infn partecipa a Virgo con le proprie Sezioni nelle Università di Pisa, Firenze con il gruppo di ricerca di Urbino, Perugia, Genova, Roma La Sapienza, Roma Tor Vergata, Napoli, Padova e i Centri Nazionali Tifpa di Trento e il Gran Sasso Science Institute di L’Aquila. “Questo successo è il coronamento di un’impresa scientifica da molti considerata al limite dell’impossibile – sottolinea Gianluca Gemme, coordinatore nazionale Infn di Virgo – nella quale l’Italia ha costantemente mantenuto un ruolo di leadership a livello mondiale, grazie all’impegno dell’Infn, iniziato nei primi Anni ‘70 del Novecento con le antenne risonanti e continuato dagli Anni ‘90 con l’interferometro Virgo, che oggi è uno dei tre strumenti più avanzati al mondo per la ricerca di onde gravitazionali. L’aspetto più entusiasmante di questa scoperta – prosegue Gemme – è che essa non chiude un’epoca ma, anzi, apre una stagione di risultati scientifici di assoluto rilievo, nella quale l’Italia con l’Infn continuerà ad avere un ruolo di primissimo piano”. Le attività di ricerca di LIGO sono condotte dalla Collaborazione Scientifica LIGO (LSC), un gruppo di oltre mille scienziati provenienti dalle università degli Stati Uniti e di altri 14 Paesi. Più di 90 Università e Istituti di ricerca nell’ambito di LSC sviluppano le tecnologie del rivelatore e analizzano i dati. La rete dei rilevatori LSC comprende oltre ai due interferometri LIGO, anche il rilevatore GEO600 in Germania. Il gruppo GEO include scienziati dell’Albert Einstein Istitute (AEI), Leibniz Universität Hannover, insieme con partner delle università di Glasgow, Cardiff, Birmingham, altre università del Regno Unito e l’Università delle Baleari in Spagna. LIGO è stato originariamente proposto come strumento di rivelazione delle onde gravitazionali negli Anni ’80 XX Secolo scorso da Rainer Weiss, professore emerito di fisica del MIT, da Kip Thorne, professore emerito “Richard P. Feynman” di fisica teorica a Caltech, e da Ronald Drever, professore emerito di fisica sempre a Caltech. Il progetto Advanced LIGO è stato principalmente finanziato dalla NSF, con il contributo della tedesca Max Planck Society (MPS) e del Science and Technology Facilities Council (STFC) del Regno Unito, e con il significativo impegno dell’Australian Research Council (ARC). Alcune delle tecnologie-chiave che hanno reso gli interferometri Advanced LIGO molto più sensibili sono state sviluppate e testate dalla collaborazione anglo-tedesca GEO. Importanti risorse di calcolo sono state fornite da AEI Atlas cluster, Laboratorio LIGO, Syracuse University e la University of Wisconsin-Milwaukee. Diverse università hanno progettato, costruito e testato componenti-chiave per Advanced LIGO: Australian National University, University of Florida, Stanford University, Columbia University di New York, e Louisiana State University. Congratulazioni giungono anche dal Cern di Ginevra (#gravitationalwaves). Insomma quella “americana” dell’11 Febbraio 2016 pare proprio, nello stillicidio dei “tweet” globali, delle conferenze e dei comunicati stampa istituzionali, nel 158mo anniversario delle “apparizioni” mariane di Lourdes, la più grande buona notizia gravitazionale di sempre nel XXI Secolo. È la nuova frontiera dell’Astronomia e della Astrofisica gravitazionali. Allora il premio Nobel al fisico Kip Thorne, il genio di Interstellar (le cui equazioni sui Buchi Neri sono in bella mostra nel film), a capo di LIGO, è assicurato in cassaforte, insieme ai suoi colleghi Ronald Drever del Caltech e Rainer Weiss del MIT. Lo scienziato europeo Albert Einstein aveva ragione. Via libera alla scoperta dei Gravitoni e del volo interstellare. Fascinating, Signor Spock! È solo l’inizio. Audaces fortuna iuvat.
© Nicola Facciolini
https://www.youtube.com/watch?v=aEPIwEJmZyE