L’11 febbraio del 2016, dieci anni fa, è stata una giornata epocale per la fisica. La giornata della scoperta delle onde gravitazionali – o, se preferite, della scoperta del secolo, almeno dal punto di vista di fisici e astronomi. Gli scienziati degli interferometri Ligo di Hanford e Livingstone, negli Stati Uniti, in collaborazione con quelli dell’esperimento Virgo, in Italia, annunciarono il raggiungimento di un obiettivo straordinario nel campo della fisica di base, ossia la prima osservazione di un segnale di onde gravitazionali, rilevato dagli “occhi” di Ligo il 14 settembre dell’anno precedente, alle 11:40:45, ma svelato al mondo, per l’appunto, solo qualche mese dopo, a valle di verifiche incrociate e test rigorosissimi (d’altronde, come si dice, “affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie”). La ricorrenza della scoperta, che ha rappresentato le fondamenta per un nuovo modo di fare astronomia e ha spianato la strada a una comprensione molto più profonda dell’Universo, è stata appena celebrata all’Ambasciata Francese in Italia, in un evento in cui sono intervenuti i principali protagonisti di questa avventura, tra cui gli scienziati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), del Gran Sasso Science Institute (Gssi) e del Cnrs francese, oltre che, in rappresentanza delle istituzioni, il Ministro dell’università e della ricerca Anna Maria Bernini. È stato un momento per celebrare il successo e la memoria dei padri fondatori di questo filone della ricerca, ma anche per guardare al futuro e alle prospettive che saranno aperte quando entrerà in funzione Einstein Telescope, la macchina di nuova generazione per la ricerca delle onde gravitazionali.
Da Einstein a Einstein
Se nel futuro c’è Einstein è perché nel passato c’è stato Einstein. “Le onde gravitazionali – ha spiegato Matteo Barsuglia, direttore di ricerca al Cnrs e membro della collaborazione Virgo – vengono fuori dalle equazioni della relatività generale in modo simile a come le onde elettromagnetiche vengono fuori dalle equazioni di Maxwell”. Tra il 1916 e il 1918, Einstein pubblicò due paper fondamentali: in essi, evidenziava come l’accelerazione di grandi masse (l’esempio da manuale sono due corpi celesti che ruotano l’uno attorno all’altro) doveva produrre delle perturbazioni – delle onde, per l’appunto – in grado di propagarsi nel tessuto dello spaziotempo. Eppure, per decenni il dubbio rimase: queste onde esistevano davvero o erano solo un artefatto matematico? Se esistevano, come si propagavano? Trasportavano energia? Con le tecnologie a disposizione un secolo fa era impossibile verificarlo: la svolta arrivò solo nel 1957, durante la storica conferenza di Chapel Hill, quando divenne chiaro che sì, queste onde erano reali e, se fossero passate attraverso un anello di particelle, ne avrebbero distorto la forma, stirando lo spazio in una direzione e comprimendolo nell’altra. Restava solo un “piccolo” problema: come misurare una distorsione infinitesimale, grande meno di una frazione di un atomo, provocata da un cataclisma avvenuto a milioni di anni luce di distanza?
Dalla teoria agli esperimenti: i primi tentativi
È a questo punto della storia che entra in scena la figura di Joseph Weber. Nei primi anni sessanta, Weber ebbe l’idea di costruire delle enormi barre di alluminio, cilindri pesanti tonnellate, scommettendo sul fatto che, al passaggio di un’onda gravitazionale, queste avrebbero risuonato come una campana percorsa da una vibrazione. Purtroppo, i dati raccolti da Weber nei suoi esperimenti non furono mai confermati dagli altri laboratori; al netto della sfortuna, Weber ebbe indubbiamente il merito di aver aperto la strada a nuovi esperimenti e di aver ispirato una nuova generazione di fisici, tra cui l’italiano Edoardo Amaldi, che portò avanti esperimenti simili con le barre criogeniche a Frascati. Il problema con le barre di Weber era però strutturale: erano sensibili a una sola specifica frequenza di risonanza, “un po’ come suonare una sinfonia di Beethoven con una sola nota”, ha spiegato Barsuglia. Se l’evento cosmico che si stava cercando non “suonava” esattamente quella nota, la barra rimaneva muta: serviva uno strumento diverso, in grado di ascoltare l’intera tastiera del pianoforte cosmico.
Arrivano gli interferometri
La risposta arrivò con un cambio di paradigma tecnologico. Anziché provare ad ascoltare un metallo che risuona, gli scienziati decisero di tentare con la luce. L’idea, sviluppata da Rai Weiss (poi premiato con il Nobel), prevedeva di usare l’interferometria laser. Il principio è, almeno sulla carta, semplice: si prende un raggio laser e lo si divide in due, mandandolo lungo due bracci perpendicolari lunghi chilometri; in fondo ai bracci, degli specchi riflettono la luce all’indietro. Se un’onda gravitazionale attraversa lo strumento, “stira” un braccio e “accorcia” l’altro, in modo asimmetrico, e quando i due raggi di luce tornano a incontrarsi non si sovrappongono più perfettamente, creando una cosiddetta figura di interferenza. Misurare questa figura, e misurare lo sfasamento temporale di arrivo tra i due raggi laser, vuol dire misurare l’onda gravitazionale. Semplice sulla carta, per l’appunto, ma molto difficile nella pratica, perché gli effetti gravitazionali sono molto piccoli e coperti dal “rumore”: per decenni, la caccia alle onde gravitazionali è stata una sfida di silenziamento degli effetti sismici, termici e quantistici che coprivano i segnali “utili”. Ed è proprio in questo contesto che nacque l’avventura italo-francese di Virgo: la storia comincia nel 1989, con l’incontro di Alain Brillet, esperto francese di laser e ottica, e Adalberto Giazotto, fisico dell’Infn di Pisa e maestro delle sospensioni meccaniche. L’idea di Giazotto era di provare a “isolare” gli specchi per poter ascoltare anche le frequenze più basse, e ci riuscì costruendo Virgo nella piana di Cascina: una macchina immensa, con bracci di tre chilometri e specchi dotati di un sistema di sospensione (i cosiddetti superattenuatori) che ancora oggi non ha eguali al mondo. Nel 2007, Virgo siglò un accordo storico con i “cugini” americani di Ligo: condividere i dati e operare come un’unica macchina planetaria. Senza questo accordo, non avremmo mai potuto triangolare la posizione delle sorgenti nel cielo.
Eureka!
Il momento della verità, come anticipato, arrivò il 14 settembre 2015, quando i rivelatori americani videro qualcosa. “Torno con la memoria alla prima rilevazione – ha raccontato Marica Branchesi, astrofisica del Gssi e dell’Infn – un suono che ci ha raccontato una storia incredibile. Due buchi neri si sono scontrati a velocità prossime a quella della luce. Al momento dello scontro, la potenza emessa era più grande di quella di tutte le stelle dell’Universo osservabile; quell’energia si è propagata per oltre un miliardo di anni e ha provocato una vibrazione infinitesimale negli specchi di Ligo. All’inizio non riuscivo a crederci”. Eppure era tutto vero: la rivelazione del segnale confermò che i buchi neri esistevano, potevano formare coppie e fondersi tra loro. E quel momento marcò l’inizio di una nuova branca della scienza, l’astronomia gravitazionale.
Oltre i buchi neri: le stelle di neutroni e l’astronomia multi-messaggero
La prima rivelazione fu uno choc; quella del 2017 fu una consacrazione. Il 17 agosto 2017, Ligo e Virgo ascoltarono un nuovo segnale, questa volta diverso. Sempre un’onda gravitazionale, ma emessa da due stelle di neutroni: “Si tratta di stelle molto particolari – ha spiegato Branchesi – molto piccole ma estremamente dense: un solo ‘cucchiaino’ della loro materia pesa miliardi di tonnellate”. A differenza dei buchi neri, “bui” per definizione, le stelle di neutroni, quando si scontrano, emettono molta luce: nacque così l’astronomia multi-messaggero, così detta perché oltre ad ascoltare l’onda gravitazionale si può anche studiare la luce emessa dalla sorgente. Grazie alla triangolazione di Virgo, i telescopi di tutto il mondo puntarono verso una specifica regione di cielo. “C’erano 50 galassie da osservare – spiega ancora l’astrofisica – e in una di queste abbiamo visto una luce che prima non c’era”. L’analisi di quella luce ci ha permesso di capire, per la prima volta, da dove vengono gli elementi pesanti che compongono il nostro mondo. Oro, platino, uranio (e tanti altri) si formano proprio in queste catastrofiche collisioni.
Il futuro: Einstein Telescope
Oggi, con oltre 300 segnali rilevati in dieci anni e la scoperta di buchi neri di massa intermedia che prima non sapevamo spiegare, la fame di conoscenza è tutt’altro che saziata. Gli attuali interferometri stanno raggiungendo i loro limiti, e per guardare più lontano, fino ai buchi neri nell’Universo primordiale, serve una macchina nuova. Questa macchina, effettivamente, è in progettazione. Si chiama Einstein Telescope (Et), e sarà un interferometro di terza generazione che porterà “l’Europa al centro dell’esplorazione dell’universo”, ha affermato Branchesi. La partita per la scelta del luogo dove costruirlo è aperta, e opzioni sul tavolo sono tre: la miniera di Sos Enattos in Sardegna, l’Euregio Mosa-Reno al confine tra Olanda, Belgio e Germania e la Lusazia, in Germania. “La Sardegna – ci aveva spiegato Michele Maggiore, docente alla Université de Genève, co-chair dell’Observational Science Board e membro dell’Executive Board di Einstein Telescope – è il miglior candidato dal punto di vista sismico e antropico. Il suo ‘silenzio’ è una risorsa naturale unica in Europa, fondamentale per quella bassa frequenza che è il cuore dell’Einstein Telescope”. E poi c’è il dibattito sulla forma: meglio un unico triangolo o due rivelatori a L, magari in due siti diversi? “Anche qui, le evidenze ci dicono che le due L sono un’opzione migliore. Si localizza meglio la direzione della sorgente, perché si triangola meglio il segnale”. L’Italia, al momento, si è detta disponibile a ospitare il triangolo o a far parte di una rete 2L, ma la decisione finale non è stata ancora presa. Se tutto andrà come previsto, tra quindici anni la macchina sarà finalmente completa e comincerà a fornirci i primi dati.
