Nobel Fisica 2017, alla scoperta delle onde gravitazionali: una vittoria anche italiana

Il terzetto Nobel per la fisica 2017 è composto dagli scienziati americani Barry BarishKip S. Thorne, entrambi di Calthech e Rainer Weiss del MIT. Il prestigioso riconoscimento – spiega l’Agenzia Spaziale Italiana – è stato loro assegnato per il ruolo che hanno avuto nella scoperta delle onde gravitazionali a un secolo dalla previsione teorica della loro esistenza formulata da Albert Einstein nella Relatività Generale. I tre scienziati sono stati gli ideatori dello strumento LIGO (Interferometer Gravitational-Wave Observatory) grazie al quale è stata realizzata, il 14 settembre 2015, la prima misura delle onde gravitazionali annunciate poi alla stampa l’11 febbraio dell’anno seguente.

Il più contento? Probabilmente Kip Thorne che all’Oscar per Interstellar ha fatto seguire il Nobel per la fisica.

Scherzi a parte, in questo Nobel però c’è anche un po’ di Italia con l’interferometro VIRGO dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che si è affiancato a LIGO. VIRGO si trova a Cascina nelle vicinanze di Pisa ed è gestito dallo European Gravitational Observatory (EGO).

Questa collaborazione ha fornito ulteriori misurazioni delle onde osservate il primo agosto scorso. Grazie a questa prima rivelazione Ligo-Virgo, è possibile localizzare la sorgente delle onde gravitazionali con inedita precisione: «Siamo entrati nel vivo dell’era dell’astronomia gravitazionale, un modo completamente nuovo di studiare il nostro universo», il commento a caldo del Presidente dell’INFN Fernando Ferroni. «E’ stata premiata la scoperta del secolo, realizzata dopo un secolo di attesa: giusto riconoscimento a chi con tenacia ha, per oltre vent’anni, inseguito il visionario progetto di riuscire a captare il debolissimo segnale generato da un catastrofico evento avvenuto lontano, nel cosmo».

«Ci congratuliamo con i vincitori del Premio Nobel e con tutti coloro che negli anni hanno lavorato strenuamente per raggiungere questo importante risultato della fisica, tra cui molti italiani, primo fra tutti Adalberto Giazotto, che ha dato un contributo fondamentale, individuando nella capacità di rivelare segnali a bassa frequenza la chiave del successo, e che già nel 2001 aveva proposto di realizzare una rete mondiale di interferometri», conclude Ferroni.

Con l’ingresso di Virgo hanno preso il via le operazioni della rete mondiale di tre rivelatori di onde gravitazionali di seconda generazione in grado di localizzare nel cielo le sorgenti di queste perturbazioni del campo gravitazionale. Questa informazione, trasferita prontamente agli osservatori astronomici a Terra e ai satelliti nello spazio, permette di studiare i fenomeni cosmici in un modo nuovo; nasce dunque un’astronomia basata sull’osservazione della stessa sorgente attraverso messaggeri differenti e complementari: onde elettromagnetiche, onde gravitazionali e

neutrini, particelle elementari che interagiscono debolmente con la materia. Se il 2015 è ricordato come l’anno della prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali e della nascita dell’astronomia gravitazionale, il 2017 è l’anno di inizio della astronomia multimessaggera.
Stiamo dunque vivendo un’epoca paragonabile a quella di Galileo Galilei, che per primo osservò il cielo con il cannocchiale. È un momento storico, che giunge quattro secoli dopo il Side- reus Nuncius galileiano, un secolo dopo la previsione di Albert Einstein dell’esistenza delle onde gravitazionali, dieci anni dopo l’accordo tra i due interferometri statunitensi LIGO e Virgo, che ha posto le basi per la creazione di una rete mondiale.

In questo articolo ripercorriamo le tappe principali di una straordinaria avventura scientifica che si è svolta per decenni tra lo scetticismo generale e che l’11 febbraio 2016, con l’annuncio della prima rivelazione, ha avuto un grande impatto nell’immaginario collettivo.
Il lungo cammino verso la scoperta
L’ipotesi secondo cui l’interazione gravitazionale possa propagarsi con una velocità finita è antica. Risalendo nel tempo fino al 1776, troviamo in Sur le Principe de la Gravitation Universelle del francese Pierre-Simon Laplace l’idea che il campo gravitazionale potesse essere rappresentato come un fluido velocissimo emesso dal centro di gravità. Tuttavia la derivazione matematica dell’esistenza delle onde gravitazionali, conseguente all’enunciato di una teoria completa della gravità, è frutto del lavoro di Einstein presentato nel 1915 alla Koniglich Preussischen Akademie der Wissenschaften e pubblicato a Berlino il 22 giugno 1916. Ma solo alla fine degli anni cinquanta è diventato chiaro che l’onda gravitazionale non è solo il risultato di un artificio matematico senza alcuna rispondenza con la realtà fisica.
In questo nuovo quadro teorico è nata l’idea del fisico statunitense Joe Weber di usare un cilindro metallico (o «barra») come rivelatore di onde gravitazionali. Weber aveva pubblicato lavori grazie ai quali era stata inaugurata la fase di sperimentazione con l’obiettivo di osservare segnali brevi, circa un millisecondo, emessi in collassi di supernove; aveva annunciato la rilevazione di segnali in coincidenza tra due antenne lontane, ma i suoi risultati erano stati poi confutati da altri gruppi che avevano applicato lo stesso metodo sperimentale. Poiché il rivelatore a barra è limitato dal rumore termico, all’inizio degli anni settanta il fisico statunitense William Fairbank, della Stanford University, aveva realizzato una barra raffreddata a temperatura ultrabassa (10 millikelvin, poco al di sopra dello zero assoluto), o criogenica. Tempo dopo Bill Hamilton in Louisiana, ed Edoardo Amaldi e Guido Pizzella in Italia, avevano costruito altre antenne criogeniche: Allegro, installata negli Stati Uniti, ed Explorer, installata al CERN di Ginevra. Nel 1989 le tre antenne avevano operato per la prima volta in coincidenza, costituendo il primo esempio di rete internazionale per la rilevazione delle onde gravitazionali. In Italia saranno poi realizzate altre due antenne criogeniche: Nautilus a Frascati, vicino a Roma, e Auriga a Legnaro, vicino a Padova.
In quegli stessi anni l’idea della rilevabilità delle onde gravitazionali si era consolidata definitivamente grazie all’osservazione nelle onde radio del decadimento orbitale della prima pulsar binaria scoperta, nota come PSR B1913+16; le pulsar sono stelle compatte che emettono onde radio con una variabilità regolare, un sistema binario è composto da due pulsar che ruotano assai vicine una attorno all’altra. La scoperta di PSR B1913+16, avvenuta nel

1974, era poi valsa nel 1993 il Nobel per la fisica agli statunitensi Russell Hulse e Joseph Taylor, anche perché aveva «aperto nuove possibilità nello studio della gravitazione», come recitava la motivazione del premio.
Sempre negli anni settanta era emerso un approccio alternativo ai cilindri di Weber: usare la luce attraverso l’interferometria, ovvero i fenomeni di interferenza della luce, per monitorare il movimento relativo di specchi in caduta libera (si veda il box ap. 35); in questo modo era possibile realizzare un rivelatore interferome- trico a larga banda, in grado cioè di rilevare non solo i segnali di brevissima durata delle supernove, ma anche i segnali di sorgenti periodiche, come le stelle di neutroni rotanti, quasi-periodiche, come due stelle di neutroni o buchi neri legati in un sistema binario che finiscono per coalescere, o fondersi tra loro, e sorgenti «stocastiche», come il fondo cosmologico di onde gravitazionali, un’eco del big bang.
Il significativo salto di qualità nella definizione della strategia di rilevazione è dovuto al fisico statunitense Rainer Weiss che propose, in un articolo pubblicato nel 1972 su una rivista del Massachusetts Institute of Technology, uno schema di rivelatore interferometrico e ne discusse i principali limiti alla sensibilità. Weiss sarà poi uno dei co-fondatori dell’esperimento LIGO.
Alla fine degli anni settanta e negli anni ottanta, eleganti idee per migliorare la sensibilità degli interferometri erano state sviluppate da Ronald Drever e Brian Meers del gruppo Glasgow in Scozia, da Roland Schilling, Lise Schnupp, Albrecht Ruediger del gruppo di Garching, in Germania, da Alain Brillet e Jean-Yves Vinet a Orsay, in Francia.
Negli anni ottanta, in Italia, Adalberto Giazotto aveva sottolineato l’importanza di mettere a punto un rivelatore sensibile nella gamma delle basse frequenze (10-100 hertz). In questa regione di frequenze, dove è più grande il contributo di segnali da coalescenza di sistemi binari di buchi neri di massa stellare, la limitazione principale è data dal rumore sismico. Fin da subito Giazotto aveva portato avanti l’idea di costruire un dispositivo chiamato «superat- tenuatore» per ridurre il moto microsismico di un fattore di 10-15 alla frequenza di 10 hertz. Parallelamente, Brillet aveva contribuito a ottimizzare il progetto ottico dell’interferometro perorando l’uso di laser a stato solido, che sfruttano un cristallo anziché un gas come mezzo attivo per produrre luce coerente.
Sulla base di questi numerosi contributi, negli anni novanta la caccia alle onde si è concretizzata in pochi progetti principali: LIGO – un sistema di due interferometri, ciascuno con due bracci perpendicolari tra loro e paralleli al terreno, ognuno lungo quattro chilometri – costruiti a Hanford, nello Stato di Washington, e a Livingston, in Louisiana, gestiti da California Institute of Technology e Massachusetts Institute of Technology; Virgo, approvato nel 1994 dall’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) e dal francese Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), un interferometro con due bracci da 3 chilometri ciascuno, costruito a Cascina, vicino a Pisa e gestito dal 2000 dall’European Gravitational Observatory (EGO); GEO600, con bracci di 600 metri ad Hannover, in Germania, frutto di una collaborazione britanni- co-tedesca; TAMA, con bracci di 300 metri, in Giappone.
Nel primo decennio di questo secolo LIGO e Virgo hanno firmato un accordo storico per lo scambio e l’analisi congiunta dei dati, e la pubblicazione dei risultati a firma delle due collaborazioni; pur non rilevando le onde gravitazionali, hanno raggiunto le sensibilità di progetto e hanno dimostrato di poter osservare

con un elevato ciclo di lavoro. In questo modo, esperimenti nati in competizione uniscono le forze in una scelta strategica ricca di conseguenze: la rete di tre interferometri chilometrici permette di aumentare la credibilità degli eventi rilevati, estendere la copertura del cielo e, soprattutto, localizzare la sorgente. Così si realizza quello che Giazotto aveva già proposto nel 2001: sfruttare i rivelatori come se fossero un’unica macchina, analizzando i dati in modo coerente.

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