Tra Italia e Usa con le onde gravitazionali si fa l’ecografia dell’Universo

Cento anni dopo Albert Einstein, trova conferma scientifica la teoria della Relatività Generale grazie a un fondamentale studio che ha rivelato le onde gravitazionali prodotte nella collisione di due buchi neri. 

Ad aprire uno scenario di scoperte senza precedenti sul cosmo e sulle leggi che regolano lo Spazio, un progetto di ricerca che da un lato vede protagonisti i laboratori americani e dall’altro i ricercatori europei. Soprattutto va detto che è “una scoperta che premia il gruppo di scienziati che ha perseguito questa ricerca per decenni, a 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 grazie alla tecnologia di Virgo, l’interferometro italo-francese di Cascina”, vicino Pisa.

Fernando Ferroni, presidente dell’INFN, l’Istituto nazionale di fisica nucleare spiega che per la prima volta, gli scienziati hanno osservato in modo diretto le onde gravitazionali “il sigillo finale sulla meravigliosa teoria che ci ha lasciato il genio di Albert Einstein” che nel 1915 descrisse la gravità come una manifestazione della curvatura dello spaziotempo. 

LA SCOPERTA 

Lo spaziotempo è come un tessuto, ma a quattro dimensioni: le tre spaziali ovvero lunghezza, larghezza e profondità, più il tempo. Secondo la Relatività Generale lo spaziotempo permea tutto l’universo, viene deformato dai corpi e perturbato da masse in movimento. Queste perturbazioni sono le onde gravitazionali che, dalla loro sorgente si diffondono in modo analogo alle increspature sulla superficie di uno stagno, viaggiando alla velocità della luce.

 

Attraverso gli interferometri gemelli è stato per la prima volta possibile osservare le increspature nel “tessuto” dello spaziotempo, perturbazioni del campo gravitazionale, arrivate sulla Terra dopo essere state prodotte da un cataclisma astrofisico avvenuto nell’universo profondo. 

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. 

 

La scoperta è stata annunciata  nel corso di due conferenze simultanee, negli Stati Uniti a Washington, e in Italia a Cascina (Pisa), nella sede di Ego, il laboratorio italiano nel quale si trova l’interferometro Virgo, progetto ideato, realizzato e condotto dall’INFN e dal Cnrs francese con il contributo di Paesi Bassi, Polonia e Ungheria.

 

L’importante risultato, pubblicato sulla rivista scientifica Physical Review Letters, è stato ottenuto, grazie ai dati dei rivelatori LIGO (che include la collaborazione Geo600 e l’Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) e VIRGO che invece fa capo allo European gravitational observatory (Ego) fondato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare italiano (Infn) e dal Centre National de la Recherche Scientifique (Cnrs) francese.

 

Le onde gravitazionali sono state rivelate il ​​14 settembre 2015 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 e operati da CALTECH e MIT, hanno registrato l’arrivo delle onde gravitazionali entro una finestra temporale di coincidenza di 10 millisecondi.

Il processo di fusione dei due buchi neri, responsabile delle onde gravitazionali rivelate, è un evento accaduto a 410 megaparsec da noi, e risale 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.

 

I RICERCATORI ITALIANI

“Questo risultato rappresenta una pietra miliare nella storia della fisica, ma ancor più è l’inizio di un nuovo capitolo per l’astrofisica – spiega 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 – prosegue Ricci – 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”.

 

Sulla stessa lunghezza d’onda Antonio Masiero, vicepresidente dell’INFN e vicepresidente del Council di EGO: “Questa straordinaria scoperta apre un’emozionante finestra sull’universo. 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”.

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 all’osservazione di onde elettromagnetiche (luce, onde radio, raggi X e gamma) e di particelle elementari (raggi cosmici, neutrini) di origine astrofisica. Saranno così svelati aspetti dell’universo finora inaccessibili che potrebbero portare informazioni persino sull’universo primordiale a un tempo molto prossimo al momento del Big Bang.

“Sembrava una sfida impossibile, come sostenuto dallo stesso Einstein, che reputava questi segnali troppo deboli per una possibile rivelazione, invece ci siamo riusciti”, commenta Pia Astone, ricercatrice INFN che ha curato la redazione dell’articolo scientifico sulla scoperta assieme ad altri cinque colleghi di VIRGO e LIGO.

“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 – prosegue Astone – 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”.

GLI INTERFEROMETRI

Rivelare le onde gravitazionali è un’impresa complessa perché l’interazione gravitazionale è la più debole dell’universo. I fisici hanno progettato speciali rivelatori con soluzioni tecnologiche d’avanguardia. Sono gli interferometri laser: costituiti da due bracci perpendicolari lunghi chilometri (4 km in LIGO e 3 km in VIRGO) al cui interno sono fatti propagare fasci laser, riflessi da specchi per allungarne il percorso, e quindi ricombinati a formare una figura di interferenza. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro produce una variazione nella lunghezza dei bracci: uno si allunga, l’altro si accorcia. Queste variazioni di lunghezza, che sono molto più piccole del diametro del nucleo di un atomo, producono uno sfasamento della luce laser che viene osservato dal rivelatore.

 

LA RICERCA ITALIANA

“Ho accolto questa notizia con grande gioia – dice Adalberto Giazotto, fisico dell’INFN e “padre” di VIRGO – questo risultato 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 di bassa frequenza: è stato il più grande avanzamento nella tecnologia degli interferometri da quando si sono iniziati a realizzare negli anni ’80. VIRGO è stato il primo al mondo capace di scendere alle basse frequenze, cui ha fatto seguito il progetto americano Advanced LIGO”. Un aggiornamento tecnologico che ha aumentato la sensibilità degli strumenti di prima generazione. Questo consente oggi di sondare un volume di universo di gran lunga maggiore. 

 

Anche l’interferometro per onde gravitazionali VIRGO sta ultimando l’implementazione delle tecnologie che aumenteranno la sensibilità di Advanced VIRGO. I lavori si concluderanno nella seconda metà del 2016, quando 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, 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 Galileo, quando si punta al cielo uno strumento di osservazione nuovo c’è sempre tanto da imparare e da scoprire”.

IL RUOLO DELL’ITALIA 

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 Università di Pisa, Firenze con il gruppo di ricerca di Urbino, Perugia, Genova, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata, Napoli, Padova, e i Centri Nazionali Tifpa di Trento e Gran Sasso Science Institute dell’Aquila.

 

“Questo successo è il coronamento di un’impresa scientifica da molti considerata al limite dell’impossibile – dice 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 con le antenne risonanti e continuato nel ’90 con 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  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”.