Scienza e ricerca

Scienza e ricerca

Osservate le onde gravitazionali ipotizzate da Einstein

12 febbraio 2016

Si mormorava ormai da qualche tempo. Qualcuno era più ottimista, altri più cauti, tutti però eccitati all’idea di una possibile conferma ufficiale. Una conferma che non ha tardato ad arrivare: a distanza di 100 anni da una delle più importanti predizioni di Einstein, alle 11.51 (ora italiana) del 14 settembre 2015 sono state rivelate le onde gravitazionali prodotte dalla collisione di due buchi neri. Una doppia soddisfazione, se si considera che nessuno dei due eventi era mai stato osservato direttamente. La scoperta, pubblicata su Physical Review Letters con il titolo Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, è frutto della collaborazione internazionale LigoVirgo di cui fanno parte anche alcuni fisici padovani.

Le onde gravitazionali sono increspature infinitesimali del “tessuto” spazio-tempo. Si immagini lo spazio-tempo proposto dalla teoria della relatività generale come un telo elastico (per usare l’immagine dell’astrofisico inglese Arthur Eddington) sul quale siano appoggiate delle masse: a seconda della loro maggiore o minore consistenza curvano, deformano più o meno il telo. Se queste masse sono in movimento generano delle onde che si propagano sul telo. Fuor di metafora, le onde gravitazionali appunto. Essendo quasi impercettibili, per poterle rivelare è necessario da un lato che gli strumenti di cui si dispone siano molto sensibili, dall’altro che le masse coinvolte siano enormi, come nel caso di una coppia di stelle di neutroni in orbita vorticosa una attorno all’altra o della fusione di due buchi neri l’uno nell’altro. Ed è proprio questo che gli scienziati hanno osservato: onde gravitazionali prodotte dalla collisione e fusione di due buchi neri. Con una massa rispettivamente di 29 e 36 volte quella del Sole, i due buchi neri hanno spiraleggiato, scontrandosi poi a una velocità di circa 150.000 chilometri al secondo e culminando nella formazione di un singolo buco nero rotante di massa pari a 62 volte quella del Sole e alla distanza di 1,3 miliardi di anni luce. Il primo ad accorgersi dell’evento pochi minuti dopo il suo arrivo sulla terra è stato Gabriele Vedovato, dell’Infn di Padova membro del gruppo Virgo, in collegamento con Marco Drago dell’Albert Einstein Institute di Hannover, ex studente e postdoc del gruppo di Padova-Trento. “Fino a questo momento – spiega Vedovato – l’esistenza di sistemi binari di buchi neri e la loro collisione era stata predetta, ma mai osservata. In questo caso si tratta di buchi neri che sono spiraleggiati in una frazione di secondo, formando un unico buco nero con una massa tuttavia inferiore alla somma dei due precedenti. Ciò è dovuto al fatto che l’evento ha convertito tre volte la massa del Sole in energia trasportata dalle onde gravitazionali”. Il picco di potenza radiata in onde gravitazionali ha superato più di dieci volte quella luminosa emessa da tutte le stelle e galassie dell’intero universo osservabile.

Lo studio delle onde gravitazionali a questo punto apre una finestra sull’universo. “L’universo si muove, si evolve, si espande perché c’è la gravità – argomenta Massimo Cerdonio, dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) che da decenni si occupa dell’argomento – Se non fossimo riusciti a rilevare le onde gravitazionali non potremmo sentire i “messaggi” che provengono dai movimenti di materia dell’universo”. Cerdonio spiega che le onde gravitazionali possono darci informazioni sui primissimi istanti di vita dell’universo, perché sono la testimonianza della nascita stessa dell’universo. Dallo studio delle onde gravitazionali, dello scontro di sistemi compatti (cioè stelle di neutroni) si potrà trovare ad esempio l’equazione di stato della materia neutronica, della materia nucleare. Ancora, si potrà capire l’evoluzione stellare che ha portato ad avere al centro di ogni galassia un buco nero gigantesco e si potrà comprenderne l’origine e lo sviluppo.

Il miglioramento della strumentazione con cui rivelare le onde gravitazionali avvenuto negli ultimi 50 anni è stato fondamentale per arrivare al risultato odierno. Le onde gravitazionali sono state rivelate dalla coppia di interferometri Ligo (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), situati rispettivamente a Livingstone in Louisiana e  a Hanford in Washington, USA. Congiuntamente con il gruppo Virgo (che comprende oltre 250 fisici e ingegneri da cinque Paesi europei tra cui l’Italia) sono stati poi studiati i dati prodotti dai due rivelatori. A dare il proprio contributo, tra i 19 gruppi di ricerca europei che costituiscono la Virgo Collaboration, anche i ricercatori dell’Istituto nazionale di fisica nucleare e delle università di Padova e Trento. 

La ricerca delle onde gravitazionali ha qui una lunga tradizione. Il gruppo Virgo di Padova-Trento (a Padova coordinato da Jean-Pierre Zendri) nasce dalla squadra che ha sviluppato e reso operativo, sotto il coordinamento di Massimo Cerdonio, il rivelatore Auriga di onde gravitazionali a barra risonante ancora in funzione dal 1997 nei Laboratori nazionali di Legnaro a Padova dell'Infn. Il gruppo Auriga ha contribuito a fondare la prima rete di rivelatori di onde gravitazionali Igec (1997-2005) con gruppi di ricerca a Roma, alla Louisiana State University e alla University of Western Australia, e ha svolto ricerche pioneristiche di onde gravitazionali usando tale rete di rivelatori. Nel 2011 sempre ricercatori del gruppo Auriga hanno proposto un rivelatore del tutto innovativo di onde gravitazionali, denominato Dual, a cui il gruppo, insieme a ricercatori dell’università e dell’Infn di Firenze, ha lavorato negli anni 2001-2008. Senza contare l’impegno nel ricerca di finanziamenti. Nel 2008 ad esempio, Livia Conti dell’Infn di Padova ha ottenuto un milione di euro per studiare proprietà fondamentali del rumore di origine termica nei rivelatori di onde gravitazionali in stati di non equilibrio termodinamico, situazione presente nella realtà: questa ricerca ha costituito il nucleo del progetto RareNoise, negli anni 2008-2015, che ha visto coinvolti l’Infn di Padova, il Politecnico di Torino e il Cnr di Trento.

Il gruppo Virgo di Padova e Trento contribuisce alla ricerca sulle onde gravitazionali sia per l’analisi dei dati sia per la parte più strettamente sperimentale. Il gruppo per primo ha segnalato alla collaborazione Ligo-Virgo la presenza di un possibile segnale: la segnalazione è stata fatta entro i primi 3 minuti dall’evento. La stessa analisi è stata utilizzata poi anche come ulteriore conferma dell’origine astrofisica del segnale osservato. 

“Devo dire che dopo  circa 30 anni che  do la caccia alle onde gravitazionali – afferma Zendri - faccio ancora fatica ad abituarmi al fatto che siano state rilevate e a distanza di quattro mesi guardando il grafico del segnale  ancora mi emoziono. Il mio pensiero va comunque a tutte le persone con cui ho avuto il privilegio di lavorare in questi anni: laureandi, dottorandi, colleghi che per scelta o per necessità (il più delle volte) hanno preso altre strade. Il merito di questa scoperta è anche loro perché hanno contribuito alla crescita di questa comunità scientifica”.

Gli scienziati ne sono convinti: con l’osservazione delle onde gravitazionali si apre una nuova finestra per guardare l’universo e per studiarne i fenomeni catastrofici. Si tratta di una nuova pagina dell’astronomia che potrà svelare nuovi, e forse inaspettati, scenari della vita e della storia dell’Universo.

Monica Panetto