Dieci anni fa, il 14 settembre 2015, veniva rivelato il primo segnale di onde gravitazionali, una scoperta che ha rivoluzionato il nostro modo di osservare l’Universo e studiare la gravità, la forza che governa e modella l’evoluzione del cosmo. Uno dei più grandi successi nella fisica moderna, che ha portato al premio Nobel per la Fisica nel 2017.
Per celebrare il decennale e discutere delle prospettive future nel campo delle onde gravitazionali è stato organizzato il 24 settembre un pomeriggio di studio presso il Polo Fibonacci (https://agenda.infn.it/e/gw10pisa) con la partecipazione di studenti, ricercatori dell’Università di Pisa, della Sezione INFN di Pisa e della Scuola Normale Superiore per discutere le scoperte ottenute finora e le prospettive aperte per i prossimi anni in questo nuovo e affascinante campo di studio del cosmo.
Le onde gravitazionali e i progressi a Pisa
Le onde gravitazionali sono perturbazioni nel tessuto dello spaziotempo che si propagano nel cosmo alla velocità della luce. Previste da Einstein nel 1916 come conseguenza della sua teoria della relatività generale, le onde gravitazionali sono prodotte da fenomeni cosmici che coinvolgono eventi celesti estremi, come lo scontro fra buchi neri o stelle di neutroni. Rivelare questi segnali non è tuttavia semplice, perché l’effetto del loro passaggio è quasi impercettibile. Per il primo segnale registrato, prodotto dallo scontro di due buchi neri avvenuto a una distanza di un miliardo di anni luce, è stato necessario misurare uno spostamento inferiore al miliardesimo di miliardesimo di metro, ovvero mille volte più piccolo delle dimensioni di un protone.
Rivelare questi segnali sembra una sfida impossibile, ma in realtà non è così. Gli scienziati hanno infatti sviluppato dei rivelatori di onde gravitazionali capaci di ascoltare questi tenui sussulti nel tessuto dello spaziotempo. Uno dei più grandi rivelatori del mondo è Virgo, nei pressi di Cascina, che con i suoi bracci di 3 chilometri ascolta costantemente il cielo, lavorando insieme ai rivelatori gemelli del Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti e KAGRA in Giappone.
Virgo (https://www.virgo-gw.eu/) è nato grazie al lavoro di Adalberto Giazotto, ricercatore presso la Sezione di Pisa dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare scomparso nel 2017, che insieme al fisico Alain Brillet del CNRS francese gettarono le basi per il più grande rivelatore di onde gravitazionali in Europa.
“A Pisa c’è una grandissima tradizione per la progettazione e la realizzazione di grandi e innovativi apparati per la ricerca scientifica – dice Francesco Fidecaro, Professore Ordinario presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa e membro della collaborazione Virgo fin dalla sua costituzione -. Qui Adalberto Giazotto ha potuto sviluppare le sue idee, per giungere allo straordinario risultato di avere uno strumento di dimensione di chilometri all’avanguardia della scienza, unico in Europa, costruito con finanziamenti dell’INFN e del CNRS, a poca distanza da qui.” Da allora Pisa è stata uno dei principali centri di ricerca nel settore delle onde gravitazionali.
Dal 2015 a oggi sono state concluse con successo tre campagne osservative congiunte fra LIGO, Virgo e più di recente KAGRA, e la quarta campagna (O4) è iniziata nel 2023 ed è attualmente in corso. Dal primo segnale rivelato nel 2015 abbiamo oggi rivelato circa 300 eventi, in gran parte scontri di buchi neri, che ci hanno insegnato moltissimo su questi misteriosi corpi celesti. “I buchi neri sono oggetti elusivi – dice Walter Del Pozzo, Professore Associato di Fisica presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa – l’unico modo di osservarli direttamente è tramite le onde gravitazionali. La rilevazione del segnale gravitazionale emesso dalla fusione di due buchi neri ci permette di osservarne le proprietà fondamentali e verificarne la consistenza con le nostre teorie. Ai successi passati si é aggiunto oggi il caso di GW250114. Grazie all’attuale precisione dei nostri strumenti, si è potuta verificare la seconda legge della dinamica dei buchi neri, o teorema dell’area di Hawking, secondo cui l’area di un buco nero non può mai diminuire.
Grazie ai rivelatori di onde gravitazionali come Virgo possiamo ottenere informazioni complementari rispetto a quelle che abbiamo dai telescopi tradizionali. Nasce così l’astrofisica multimessaggera, che combina le informazioni portate dalle onde gravitazionali con quelle associate alla luce visibile e agli altri tipi di radiazioni elettromagnetiche, dalle onde radio ai raggi gamma. In questo modo è possibile esplorare in modo più completo la fisica di corpi celesti come le stelle di neutroni, laboratori naturali che ci consentono di studiare la fisica fondamentale in condizioni di estreme di gravità e campi elettromagnetici.
Quali le prospettive future?
Quello delle onde gravitazionali è un settore in rapida crescita, come hanno dimostrato le scoperte di questi anni. Ma quali sono le prospettive future? “La sfida sperimentale in questo settore è associata allo sviluppo di rivelatori sempre più sensibili, per rivelare sorgenti di onde gravitazionali sempre più lontane e misurarne le proprietà in modo sempre più accurato – aggiunge Massimiliano Razzano, Professore Associato presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa – da un lato migliorando costantemente gli interferometri attuali e dall’altro sviluppando nuovi progetti come Einstein Telescope, il grande rivelatore europeo di prossima generazione”.