È nata una nuova tecno-scienza: la fisica delle onde gravitazionali

Notte stellata sul Rodano (Vincent van Gogh, 1888)

È nata una nuova tecno-scienza: la fisica delle onde gravitazionali

di Giorgio Masiero

Tecnologie e conoscenze implicate nell’intercettazione di segnali gravitazionali dallo spazio

Nessun articolo scientifico mi ha suscitato l’impressione di quello apparso il 12 febbraio scorso in Physical Review Letters dal titolo “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger” (“Osservazione di onde gravitazionali dalla fusione di due buchi neri”). A segnare il felice esito d’un lavoro collettivo durato 50 anni, l’articolo è firmato da 1.071 scienziati, tra cui un centinaio d’italiani, appartenenti a 133 università e istituti di ricerca sparsi per il mondo. Dal sunto iniziale ai riconoscimenti finali, si coglie l’annuncio d’un evento epocale, destinato a segnare un salto nell’avanzamento della conoscenza. L’enfasi non è nel tono altisonante, ma all’opposto nella stringatezza quasi dimessa, ricca di dati mai prima acquisiti; nella congruenza tra questi e le predizioni teoriche della relatività generale di Einstein (1915) ed infine nella confidenza delle conclusioni. Lo stile dell’inglese usato mi ha richiamato il latino del “De bello gallico” di Cesare.

La registrazione di onde gravitazionali, la prima e l’unica per ora, era intervenuta il 14 settembre 2015, alle 11:50:45 CET, in due laboratori americani ed era stata subito distribuita alla rete internazionale d’istituzioni che da mezzo secolo cerca di captare questo tipo di segnali non elettromagnetici provenienti dallo spazio. Questa rete è come una famiglia: alcuni membri sono più bravi nel catturare i segnali, altri nell’analizzarli, ma tutti sono ferrati in relatività generale, cioè nella fisica dello spazio-tempo. Quel lunedì di settembre la pipeline scientifica s’intasò di mail e chat. Inimmaginabile l’agitazione che anche dopo 5 mesi i ricercatori conservano, trasmettendola a chi li incontra. Per darne un’idea, riporto nella figura sottostante alcuni passi d’una chat scambiata tra due scienziati italiani quel giorno: l’uno lavora in Italia, è ricercatore all’INFN e membro di Virgo, il gruppo europeo nato per intercettare e studiare le onde gravitazionali attraverso l’interferometro di Cascina (Pisa); l’altro, che ho indicato con un cerchietto rosso, lavora in un istituto di ricerca tedesco e fa parte di LSC, la collaborazione internazionale che per lo stesso tipo di studi utilizza i due interferometri americani ed uno ad Hannover, in Germania. (I rivelatori di Cascina e di Hannover non hanno registrato il fenomeno, il primo perché sotto manutenzione per upgrade, il secondo perché non abbastanza sensibile.)

Lunedì 14 settembre 2015 ore 12:02, Padova chiama Hannover

Rinviando al prosieguo la piena comprensione del gergo, soffermiamoci per ora su due aspetti della chat:

• l’orario: alle 11:53, appena 3 minuti dopo la captazione del segnale in America, lo scienziato dell’INFN ne è informato in Italia e, ansioso di recuperare un link per analizzare i dati, alle 12:02 si mette in contatto col suo collega in Germania;
• i wow, le faccette e i punti esclamativi, a denotare la gioia per la scoperta. Uno dei ricercatori racconta: “Man mano che guardavo il segnale, mi diventava sempre più chiaro che si trattava dell’evento che avevamo sognato per anni ed un brivido mi corse lungo la schiena. Dopo 5 mesi mi capita ancora di chiedermi se è tutto reale, se davvero abbiamo udito l’eco di due buchi neri fondentisi l’uno nell’altro a centinaia di milioni di anni luce da qui”.

Come le cariche elettriche in accelerazione producono onde elettromagnetiche, che poi le antenne possono rivelare, così la relatività generale prevede che masse in accelerazione producano onde gravitazionali (sigla: GW, gravitational waves). C’è però qui un grosso problema, come si capisce dal confronto tra le costanti d’intensità dei due campi, l’elettromagnetico e il gravitazionale (v. Tabella contenuta nell’articolo “Le costanti intriganti”): affinché le GW siano eventualmente percettibili, le masse devono essere le più grandi e compatte possibili, delle dimensioni d’una stella ma concentrate su volumi estremamente più piccoli. Metti, la massa d’una portaerei stipata nel volume d’un granello di sabbia e moltiplicata tante volte fino ad ottenere una sfera di 15 km di raggio. Così massivi e compatti sono solo particolari corpi celesti remoti, per es. le stelle di neutroni o i buchi neri. Non basta, questi corpi devono precipitare in stati di moto ad alta accelerazione. Per questi motivi le GW sono estremamente elusive, al punto che Einstein credeva che mai saremmo stati capaci di costruirne un detector abbastanza sensibile. Come le increspature d’acqua provocate dal guizzo d’un pesce nel mezzo d’un grande lago si propagano per un breve tempo producendo un’onda che diviene irrilevabile a riva, così le GW originatesi negli istanti culminanti d’un macro-evento astrofisico viaggiano (alla velocità della luce) in tutte le direzioni e solo con una minima intensità arrivano alla Terra dove, per qualche istante, stiracchiano il nostro spazio-tempo in quantità infinitesimale.

Così, un evento cosmico produttivo d’un getto di GW abbastanza forte da poter essere possibilmente rilevato e che è stato matematicamente simulato nei suoi effetti osservabili è il processo finale di fusione di due buchi neri orbitanti l’uno intorno all’altro. Secondo i calcoli, i due corpi verrebbero a perdere energia gradualmente, in miliardi di anni, spiraleggiando nelle fasi finali in un moto accelerato di avvicinamento, fino a collidere a velocità relativistiche e a fondersi in un unico buco nero. Nella fusione si perde una parte ∆m della massa totale, che viene trasformata in energia secondo la formula E = ∆m·c^2. Questa energia potrebbe comporre un treno di GW, rilevabile con le tecnologie di cui disponiamo. Insomma, se resta l’impossibilità di produrle in laboratorio – hanno pensato in questi anni i fisici a caccia di GW – possiamo almeno sperare di rivelarle da eventi catastrofici accaduti nello spazio profondo. Sempre che fenomeni come i sistemi binari rotanti di buchi neri (o anche di stelle di neutroni) siano possibili nella relativamente giovane età dell’universo…

Ebbene, l’ipotizzata e accuratamente teorizzata fusione di due buchi neri è proprio ciò che i laboratori americani hanno registrato! L’analisi dei dati ha permesso di stabilire:

1. Il segnale era un getto GW prodotto negli istanti di collisione e fusione di due buchi neri.

2. Questi avevano una massa uguale rispettivamente a 29 e 36 volte quella del Sole, si sono scontrati ad una velocità di 150.000 km/sec ed hanno infine formato un singolo buco nero rotante, di massa pari a 62 volte quella del Sole.

3. L’annichilamento di 3 Soli, trasformatisi nell’energia delle GW radiate, è avvenuto in un decimo di secondo, con un picco di potenza pari all’annichilamento di 200 Soli al secondo, vale a dire 50 volte la potenza di tutte le stelle dell’universo osservabile.

4. L’evento è accaduto alla distanza di 1,3 miliardi di anni luce, nell’emisfero celeste meridionale.

5. Gli interferometri, come ogni sistema che riceva e tratti informazione, sono affetti da “rumore”, cioè da segnali inevitabili di disturbo che si sovrappongono al segnale utile. Tanto maggiore è il rapporto (“SNR”, signal to noise ratio) tra la potenza del segnale utile e la potenza del rumore, tanto maggiore è la “confidenza” sui risultati di un esperimento. Ebbene, in questo caso l’SNR è risultato 24, che è qui un valore ottimo.

6. Qualche settimana dopo le osservazioni, a validarle ulteriormente, l’INFN – che dal 1997 ha sviluppato un metodo per interpretare segnali generali di origine cosmica – calcolava la “probabilità di falso allarme” in 4.6σ, vale a dire che ci sono meno di 2 possibilità su un milione che il segnale abbia avuto un’origine casuale da rumore, invece che dalla fusione di due buchi neri.

In alto: Rappresentazione della fusione dei due buchi neri nell’ultima frazione di secondo. L’urto è avvenuto ad una velocità uguale a metà di quella della luce. In mezzo: Il dato osservato, cioè il segnale misurato dai laboratori americani. Per rivelarlo sono servite tecnologie capaci di misurare variazioni di lunghezza sotto il miliardesimo di miliardesimo di metro. In basso: Il getto GW, cioè il segnale filtrato dal rumore e confrontato con la predizione della relatività.

Com’è stato possibile intercettare il segnale GW? A monte dei risultati sopra elencati (e di altri che ho tralasciato) stanno tanto le teorie scientifiche ed i calcoli matematici quanto le più avanzate tecnologie di frontiera (del vetro, del vuoto, dei nuovi materiali, ecc.). Tutti i laboratori moderni per la rivelazione di GW consistono in un interferometro con due bracci lunghi da 3 a 4 km disposti ad angolo retto. Un raggio laser viene diviso in due fasci che viaggiano più volte avanti e indietro, essendo riflessi da specchi collocati alle estremità dei bracci. Questi fasci monitorano la distanza tra le estremità di ogni braccio, registrandone ogni variazione sotto il millesimo del “raggio” d’un protone, cioè sotto i 10^(-18) m. Una GW, ricordiamolo, è uno stiramento dello spazio-tempo e nell’attraversare un braccio dell’interferometro lo allunga infinitesimamente per la durata di qualche istante. La misura di questa variazione – o meglio, della differenza tra le due variazioni che entro centesimi di secondo si sono prodotte nei due bracci (posti ad angolo retto e quindi stirati dall’onda con sforzi diversi) – è stato il prezioso dato primo, rivelatore di GW.

L’avanzamento tecnico avvenuto negli ultimi 50 anni è stato conditio sine qua non per arrivare al risultato odierno. Le tecnologie dell’interferometria sono progettate per convertire lo stiramento spazio-temporale in segnale ottico e per prima cosa devono minimizzare la principale causa di rumore alle alte frequenze, data dal fatto che il flusso luminoso dei laser non è continuo, ma costituito di particelle – i fotoni. Poi, si richiede che gli specchi alle estremità dei bracci abbiano un basso “rumore” di scostamento – cioè mantengano inalterata la loro distanza durante le riflessioni della luce laser – e ciò si ottiene isolandoli dal rumore sismico (che disturberebbe il segnale GW alle basse frequenze) tramite sospensioni costituite di opportuni materiali e levigando e rivestendo eccellentemente le superficie così da minimizzare il rumore termico (che disturba alle frequenze intermedie). Per ridurre altre sorgenti di rumore, tutte le componenti sono montate in un ambiente ad ultravuoto, con pressioni inferiori ad un centimiliardesimo di atmosfera.

Veduta aerea dell’interferometro VIRGO di Cascina (Pisa)

Entro il 2016 entrerà in piena funzionalità anche l’interferometro di Cascina, cui si aggiungeranno in futuro altri in India e Giappone. Un sistema di più osservatori indipendenti, distanti tra loro e sempre più sensibili permetterà una maggiore copertura del cielo con la possibilità di moltiplicare le osservazioni di eventi GW (ne sono attese una ventina nei prossimi 3 anni), aumenterà le informazioni estraibili e la loro confidenza. Già questa prima osservazione ha avuto importanti implicazioni teoriche:

• ha corroborato la teoria della relatività generale in fenomeni di gravità forte;
• ha rivelato l’esistenza di buchi neri massivi. Fino a prima si erano osservati solo una ventina di buchi neri, con masse per lo più tra i 5 e i 10 Soli e, secondo i modelli astrofisici in voga, non potevano esistere buchi neri con masse oltre i 20 Soli;
• ha rivelato l’esistenza di sistemi binari di buchi neri abbastanza vicini da fondersi entro il tempo di vita dell’universo.

In tutta la sua storia, l’uomo ha avuto un solo mezzo a disposizione per contemplare il cielo, il campo elettromagnetico: per milioni di anni, catturato con gli occhi; da 4 secoli (Galileo, 1609) col telescopio, ancora nella banda della luce visibile; da 85 anni (K. Janski, 1931), col radiotelescopio capace di catturare altre bande elettromagnetiche emesse dalle radiosorgenti sparse per l’universo. Ora abbiamo un nuovo mezzo: il campo gravitazionale. E non ce ne saranno più altri, se i campi fisici sono 4 e gli altri 2 sono a corto raggio. L’introduzione di ogni nuova tecnologia ha rivoluzionato la nostra visione dell’universo: col telescopio siamo passati dal geocentrismo all’eliocentrismo e col radiotelescopio ad un universo senza centro, in espansione accelerata e con oggetti strani come stelle di neutroni e buchi neri. E adesso?

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