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martedì 21 novembre 2017

Giovanni Losurdo: La nascita dell'astronomia gravitazonale


Foto di Laura Barbalini
Praticamente tutte le sedi dell'INAF quest'anno per la settimana della luce, o Light in Astronomy, hanno messo in programma un incontro dedicato alla scoperta delle onde gravitazionali, in particolare all'osservazione delle controparti elettromagnetiche avvenuta il 17 agosto di quest'anno. In particolare l'Osservatorio Astronomico di Brera ha proposto un aperitivo con Paolo D'Avanzo e un caffè pomeridiano con Gabriele Ghisellini, entrambi appartenenti alla sede di Merate dell'Osservatorio e soprattutto un incontro divulgativo serale all'interno del ciclo dei Cieli di Brera con Giovanni Losurdo di VIRGO. In effetti Losurdo aveva tenuto un seminario scientifico anche in Osservatorio, per cui alcune delle cose che ha raccontato nel pomeriggio confluiranno nella sintesi che andrò a scrivere di seguito, come il titolo della prima sezione.
VIRGO: storia di un ritardo tutto italiano
I due esperimenti che negli ultimi tre anni sono stati protagonisti di buona parte delle notizie scientifiche ogni anno, LIGO e VIRGO, sono stati progettati e proposti alle istituzioni sostanzialmente nello stesso periodo (metà anni Ottanta del XX secolo, all'incirca). All'inizio erano da considerarsi esperimenti concorrenti, ma grazie al lavoro di Adalberto Giazotto, ideatore di VIRGO, si è andata a costruire una più stretta collaborazione, tanto da considerare i due LIGO e VIRGO come i pezzi di un unico rilevatore. D'altra parte i due nuovi interferometri (quello in costruzione in Giappone e quello approvato che verrà costruito in India) sono il passo successivo in un progetto che dovrebbe effettivamente rendere la Terra (per ora solo l'emisfero settentrionale) un vero e proprio rilevatore di onde gravitazionali.
Di fatto, però, tra LIGO e VIRGO ci sono, allo stato attuale, un paio di anni di differenza, che a un certo punto erano diventati 5, sostanzialmente dovuti ad alcuni fattori intrinseci all'Europa e all'Italia. VIRGO, infatti, è cofinanziato dalla Francia e all'epoca fu piuttosto complesso convincere le comunità scientifiche francese e italiana a investire nella costruzione dell'interferometro, mentre negli Stati Uniti l'approvazione dei fondi fu molto più celere. Alla fine, dopo due anni di trattative, VIRGO era stato accettato.
I tre anni ulteriori vennero acumulati a causa delle particolarità burocratiche dell'Italia: tra espropri del terreno, interrogazioni parlamentari, denunce e citazioni in aula si arrivò a un ritardo complessivo di cinque anni, che poi venne parzialmente recuperato prima con la costruzione e successivamente con la messa a punto vera e propria dell'esperimento.
Insomma, una tipica storia italiana, ma nonostante ciò, giusto tra giorni prima di quel fatidico 17 agosto, VIRGO aveva rilevato la sua prima onda gravitazionale, all'incirca due anni dopo la prima onda gravitazionale di LIGO.
Interferometro laser
L'universo ci bombarda ogni secondo di radiazioni. Sono per lo più onde elettromagnetiche e le possiamo classificare in funzione della loro lunghezza d'onda e dell'energia trasportata: si va dagli infrarossi agli ultra violetti, passando per le microonde, i raggi X e la luce visibile. Ovviamente le prime osservazioni del cielo sono state effettuate con lo strumento ottico per eccellenza a disposizione dell'uomo: l'occhio. Negli ultimi 4 secoli, però, abbiamo sviluppato una serie di strumenti che non solo ci hanno permesso di rilevare meglio la luce visibile che ci viene dallo spazio, ma anche tutto il resto dello spettro elettromagnetico.
Il problema è che esistono nell'universo oggetti che non emettono alcuna radiazione elettromagnetica, come ad esempio i buchi neri. Ipotizzati grazie a una serie di calcoli sulle equazioni della relatività generale di Albert Einstein, sono oggetti cosmici che non emettono alcun fotone, visto che nulla riesce a sfuggire alla loro attrazione gravitazionale. Questo vuol dire che possono essere osservati solo per via indiretta, ovvero attraverso i movimenti e i segnali elettromagnetici delle compagne visibili.
Un altro risultato della relatività generale erano, però, le onde gravitazionali. In particolare queste sarebbero state sufficientemente cariche di energia in eventi di collisione e fusione tra giganti cosmici, come due buchi neri. Questo suggerì l'idea di cercare di sviluppare uno strumento in grado di rilevare tali onde. Ed ecco l'idea di LIGO e VIRGO:
Due lunghi bracci al cui interno è posto un tubo con del vuoto spinto all'interno del quale due raggi laser, uno per braccio, vengono sparati contro degli specchi sospesi. Gli strumenti misurano il tempo di volo del raggio laser durante l'andata e quello del raggio durante il ritorno e, nel caso di interazione con un'onda gravitazionale, si dovrà rilevare un qualche ritardo nel tempo misurato. E dopo gli opportuni controlli, in effetti il 14 settembre 2015 i due interferometri di LIGO hanno rilevato la prima onda gravitazionale, generata dalla fusione di due buchi neri di diverse masse solari ciascuno.
Determinare la posizione per assenza
L'importanza di questa misura è evidente: da un lato una conferma, l'ultima, per la teoria dela relatività generale; dall'altro la conferma che l'esperimento ideato funziona!
Ciò che ancora manca a causa del ritardo di VIRGO è la possibilità di ridurre il più possibile la superficie di cielo all'interno della quale è avvenuto l'evento di fusione. Come abbiamo già visto, bisogna aspettare un paio di anni per poter arrivare a un tale risultato, ma ancora una volta il segnale è da associarsi alla fusione tra due buchi neri.
Pochi giorni dopo, però, ecco un'opportunità incredibile: un nuovo segnale, questa volta prodotto dalla fusione di due stelle di neutroni (stelle costituite quasi esclusivamente da neutroni, tenuti insieme dalla gravità). La fusione di tali stelle, infatti, produce una serie di onde elettromagnetiche che possono essere osservate con tutti gli altri strumenti costruiti dall'uomo nel corso di questi ultimi 4 secoli. Quando LIGO e VIRGO sono certi che il segnale è generato da questo genere di stelle, partono immediatamente gli avvisi ai componenti della complessa collaborazione costruita dai due esperimenti nel corso degli anni. Osservatori sulla Terra e telescopi nello spazio si puntano nella porzione di cielo indicata da LIGO/VIRGO per osservare gli effetti elettromagnetici dell'evento.
L'aspetto curioso della scoperta è, però, in come tale indicazione sia stata girata agli astronomi: il segnale della fusione, infatti, è stato rilevato solo dagli interferometri di LIGO, ma non da VIRGO. Sovrapponendo le zone di massima e minima osservazione dei tre interferometri, però, si è riuscito a determinare con grande precisione la porzione di cielo in cui puntare: è bastato intersecare l'area circoscritta dai LIGO con il punto cieco più vicino all'area stessa. E questo è stato più che sufficiente per dare un'informazione di grande precisione agli astronomi.
L'importanza della collaborazione
Ancora una volta per la scienza moderna, come soprattutto hanno ben imparato i fisici delle particelle (d'altra parte VIRGO è un esperimento INFN), il successo scientifico nasce dalla collaborazione scientifica. E nel caso di LIGO e VIRGO è anche una collaborazione ben più complessa e per certi versi totalizzante di quella del CERN. Non solo, infatti, coinvolge laboratori in paesi differenti che lavorano come se fossero i componenti di un unico dispositivo di rilevazione, ma anche scienziati (circa 3500) provenienti dai paesi più disparati (circa 45), spesso politicamente molto distanti tra loro, e appartenenti ad aree differenti, molti dei quali (sopratutto gli astronomi) poco avvezzi a collaborazioni così complesse e numerose.
E questo è un risultato che sta decisamente al pari di quelli scientifici fin qui ottenuti!
Il video che segue, caricato sul mio canale YouTube, è la diretta che avevo fatto quel pomeriggio su Periscope, quindi presenta quegli stessi difetti di volume (ogni tanto si sentono i suoni delle notifiche!), messa a fuoco (il cellulare lo cambiava abbastanza spesso) della diretta stessa. Abbiate pazienza, ma spero che i contenuti della conferenza arrivino nel modo migliore possibile.

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