Onde gravitazionali da Nobel: la nuova astronomia parla anche italiano

APPROFONDIMENTO – L’aria è tesa alle 11.45 del 3 ottobre nella sede dell’Istituto nazionale di fisica nucleare, INFN, di Roma, mentre si attende l’annuncio del premio Nobel per la fisica 2017. I ricercatori della collaborazione VIRGO siedono e ascoltano in silenzio la diretta dell’annuncio dell’accademia svedese, poi al primo nome esultano. I vincitori sono Barry Barrish e Kip S. Thorne del Caltech, e Rainer Weiss del MIT per il loro ruolo nella scoperta delle onde gravitazionali, con il primo evento osservato dagli interferometri gemelli di LIGO a Livingston, in Louisiana, e nello stato di Washington.

Il 14 settembre 2015, i due interferometri hanno osservato la prima onda gravitazionale, prima conferma sperimentale della teoria della relatività generale di Albert Einstein. Una scoperta che però parla anche italiano, perché è grazie a VIRGO, l’interferometro situato a Cascina vicino a Pisa e frutto della collaborazione italo-francese, che il 14 agosto 2017, in meno di due anni di osservazioni, è stata osservata la quarta onda gravitazionale, stavolta con la possibilità di triangolarizzare la sorgente del segnale e individuarla con precisione, oltre che di studiarne la polarizzazione.

L’accademia di Svezia riconosce così l’importanza di questa scoperta, che arriva a 100 anni dalla sua previsione teorica e dopo 50 anni in cui scienziati di tutto il mondo si sono impegnati per costruire un rivelatore che ne permettesse l’osservazione e aprisse così una nuova finestra sull’universo, fornendo agli astronomi un importante e potente strumento per indagare il cosmo e oggetti per noi ancora misteriosi come le stelle di neutroni, i buchi neri e le supernove, o ancora i neutrini e le loro sorgenti.

Chi sono i vincitori del premio Nobel per la fisica 2017?

Rainer Weiss, nato 85 anni fa a Berlino, ha passato la vita a dare la caccia alle onde gravitazionali dal Massachussets Institute of Technology, MIT, dove ha preso il dottorato nel 1962 e dove ha continuato a insegnare. A lui va metà del premio, mentre l’altra metà è stata assegnata congiuntamente a Barry C. Barish, statunitense che dopo il dottorato all’Università della California di Berkeley ha insegnato al California Institute of Technology (Caltech) e a Kip S. Thorne, 77 anni, altro statunitense laureato a Princeton e docente di fisica teoria del Caltech già noto al mondo come consulente scientifico del film premio Oscar Interstellar.

Loro i tre vincitori come da annuncio dell’accademia svedese. Tre scienziati che hanno guidato negli anni la collaborazione LIGO-VIRGO, formata da una squadra internazionale di ricercatori che hanno lavorato fianco a fianco nella costruzione dei rivelatori, nella raccolta dei dati e nel delicato lavoro di analisi delle osservazioni eseguite.

Uno strumento per studiare l’universo ancora sconosciuto

Le increspature dello spazio-tempo previste da Einstein sono immaginabili proprio come le creste che si formano quando gettiamo un sasso in uno stagno. Onde concentriche che hanno come origine un evento catastrofico, come la fusione di due buchi neri dell’ordine delle decine di masse solari o di due stelle di neutroni molto veloci. Le increspature dunque sono il segno di un evento violentissimo nel cosmo, una perturbazione sonora che arriva fino alla Terra portando l’eco di un determinato fenomeno fisico o oggetto celeste che fino a quel momento non avevamo avuto alcun altro modo di osservare da vicino, come spiega Annalisa Allocca, giovane ricercatrice INFN della collaborazione VIRGO. “Dalle stelle di neutroni ai buchi neri nell’universo, che non sono visibili con nessun altro tipo di telescopio al momento. Le onde gravitazionali sono l’unico modo per rivelare questo tipo di oggetti celesti, sono degli strumenti molto molto potenti e daranno luogo a una nuova astronomia”.

I tre interferometri, che dunque operano a grande distanza come un unico potentissimo strumento, sono preziosissimi per l’astronomia moderna. Lo spiega un altro giovane ricercatore dell’INFN che fa parte della collaborazione VIRGO, Diego Bersanetti: “Questo nuovo strumento ci permette di entrare nel campo dell’astronomia multi-messaggero, cioè la capacità di vedere l’universo attraverso i vari mezzi. Finora abbiamo osservato il cosmo attraverso i fotoni o i raggi X, ma adesso abbiamo anche le onde gravitazionali prodotte da ogni massa accelerata, come per esempio i buchi neri, le stelle di neutroni o le supernove, tutti oggetti celesti anche molto diversi tra loro e che ora potranno essere studiati nel dettaglio”.

Il premio Nobel parla anche italiano

Se le giovani leve, come i preziosi ricercatori Allocca e Bersanetti, rappresentano il futuro della ricerca dell’astronomia gravitazionale, tanti sono gli scienziati che hanno dedicato la loro vita a questa scoperta. Tra loro ci sono Gianluca Gemme, il responsabile nazionale INFN di VIRGO, che ha accolto la notizia del premio Nobel con grande emozione. “Noi ricercatori siamo abituati a lavorare nell’ombra dei laboratori”, commenta il ricercatore, “a guardare le cose con un certo distacco e con spirito critico, però non c’è dubbio che essere coinvolti, da protagonisti, nel conferimento del premio Nobel è un’emozione molto grande. L’Italia è all’avanguardia nella ricerca delle onde gravitazionali da 40 anni e in particolare l’INFN ha sempre sostenuto questa impresa. VIRGO è uno strumento italo-francese situato in Italia ed è allo stesso livello degli strumenti americani, come ha ampiamente dimostrato lo scorso 14 agosto con la sua prima rivelazione congiunta”.

All’epoca della prima rivelazione, quella del settembre del 2015, l’interferometro di Cascina era ancora spento per via dell’upgrade che ha portato ai recenti risultati, spiega Gemme. “La collaborazione VIRGO ha contribuito in maniera determinante alla scoperta e all’analisi dati, e c’è stato un continuo scambio di informazioni e di tecnologie, quindi c’è molta Italia in questa scoperta”.

Mille ricercatori da tutto il mondo per la nuova astronomia

Una collaborazione internazionale di oltre mille scienziati, di cui quasi 150 italiani, che ha richiesto decenni di esperimenti a caccia del giusto strumento e che una singola nazione non sarebbe riuscita ad affrontare da sola, come sottolinea Giovanni Prodi del Tifpa dell’Università di Trento, ricercatore INFN e coordinatore dell’analisi dati di VIRGO. “Si tratta di una collaborazione internazionale di più di 1000 persone, e nessun Paese da solo avrebbe potuto ottenere questo risultato lavorando separatamente. Le onde gravitazionali sono state predette idealmente un secolo fa da Einstein e c’è voluto mezzo secolo di sviluppo sperimentale durissimo per riuscire ad arrivare a un punto sufficiente per poter rivelare questi effetti: questo indica che è stato un percorso molto molto difficile. Lo sforzo ha dato come primo frutto il segnale rivelato a settembre 2015. Quella scoperta è stata una piccola soddisfazione personale: tutti si aspettavano un tipo di segnale diverso ma è anche grazie al nostro algoritmo che siamo riusciti a riconoscere quel segnale che ha sorpreso tutto il mondo”.

Fondamentale per la costruzione dello strumento adatto alla rivelazione delle onde gravitazionali è la presenza, oltre agli interferometri americani, anche dell’italiano VIRGO, spiega Prodi: “Misurare un’onda gravitazionale solo con due interferometri è come mettere degli occhiali che ci permettono di vedere solo alcune componenti della luce. I due rivelatori americani infatti sono allineati tra loro mentre VIRGO, che è orientato diversamente, ci permette di sviscerare dettagli che altrimenti ci sarebbe stato possibile osservare”.

Ci sono però alcune persone, sottolinea Prodi, che devono essere ringraziate: si tratta di tutti quegli scienziati che dagli anni Settanta fino a oggi hanno lavorato per la messa a punto di rivelatori per le onde gravitazionali, magari ritrovandosi in un vicolo cieco, fino all’arrivo dell’intuizione geniale di Adalberto Giazotto, il pioniere italiano che ha permesso la costruzione dell’interferometro di Cascina e senza cui oggi non saremmo arrivati a questa straordinaria scoperta.

Una terza “corsa” a caccia di onde gravitazionali

Dopo la rivelazione del 14 agosto 2017, sia gli interferometri LIGO sia il nostro VIRGO sono entrati in una fase di “riposo”. Gli interferometri infatti sono sottoposti ad upgrade: gli scienziati stanno apportando delle modifiche tecniche, come il montaggio di nuovi specchi, che aumenteranno di molto la sensibilità dei tre rivelatori permettendo una nuova “corsa” di presa dati sempre più precisa. Il Run3 della collaborazione LIGO-VIRGO, come spiega Gemme, è previsto per la fine del 2018: “In questo momento tutti gli interferometri sono spenti e stiamo lavorando insieme per migliorare la sensibilità degli strumenti e per riprendere l’acquisizione dati verso la fine del 2018. Ci aspettiamo di avere risultati ancora più interessanti, siamo solo all’inizio”.

Gli altri premi Nobel del 2017:

Premio Nobel per la Medicina alla cronobiologia

Premio Nobel per la Chimica alla microscopia crioelettronica

Premio Nobel per la Letteratura a Kazuo Ishiguro

Premio Nobel per la Pace all’abolizione delle armi nucleari

Premio Nobel per l’Economia all’economia comportamentale

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