Onde gravitazionali: da Cascina la scoperta del secolo

La prima osservazione diretta di ciò che Einstein teorizzò cento anni fa è diventata realtà. L'annuncio nel corso di una conferenza simultanea a Cascina e negli Stati Uniti

Un annuncio importante, che tutti attendevano: la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali, previste 100 anni fa da Albert Einstein nella teoria della Relatività Generale. La scoperta è stata annunciata dalle collaborazioni LIGO e VIRGO nel corso di due conferenze simultanee, negli Stati Uniti a Washington e in Italia a Cascina, nella sede di EGO, il laboratorio nel quale si trova l’interferometro VIRGO, progetto ideato, realizzato e condotto dall’INFN e dal CNRS con il contributo di Nikhef (Paesi Bassi), e in collaborazione con POLGRAW - Polska Akademia Nauk (Polonia) e Wigner Institute (Ungheria).

Con questo risultato si apre l'era dell'astronomia gravitazionale, un modo nuovo di studiare il cosmo. Per la prima volta, gli scienziati hanno dunque osservato in modo diretto le onde gravitazionali: increspature nel 'tessuto' dello spaziotempo, perturbazioni del campo gravitazionale, arrivate sulla Terra dopo essere state prodotte da un cataclisma astrofisico avvenuto nell'universo profondo.

“Questo risultato rappresenta una pietra miliare nella storia della fisica, ma ancor più è l’inizio di un nuovo capitolo per l’astrofisica - spiega Fulvio Ricci, ricercatore dell’INFN che coordina la collaborazione internazionale VIRGO, e professore a La Sapienza Università di Roma - perché nei prossimi anni continueranno ad arrivare altri importanti risultati dagli interferometri LIGO e VIRGO, che oggi sono organizzati in un’unica rete globale di rivelatori di onde gravitazionali”. “Osservare il cosmo attraverso le onde gravitazionali - prosegue Ricci - cambia radicalmente le nostre possibilità di studiarlo: fino ad ora è come se lo avessimo guardato attraverso delle radiografie, mentre adesso siamo in grado di fare l’ecografia del nostro universo”.onde gravitazionali-3

“Sembrava una sfida impossibile, come sostenuto dallo stesso Einstein, che reputava questi segnali troppo deboli per una possibile rivelazione, invece ci siamo riusciti” commenta Pia Astone, ricercatrice INFN che ha curato la redazione dell’articolo scientifico sulla scoperta assieme ad altri cinque colleghi di VIRGO e LIGO. “Finalmente possiamo osservare l’universo con occhi diversi - prosegue Astone - non è un caso, infatti, che la prima misura diretta di ampiezza e fase delle onde gravitazionali sia stata accompagnata da un’altra importante scoperta, quella della fusione di un sistema binario di buchi neri”. “Non va dimenticato che il risultato è il coronamento del lavoro di tanti anni di molte persone, lavoro svolto con il costante supporto dei nostri enti finanziatori, primo fra tutti l’INFN. E adesso proseguiremo il nostro lavoro, non più domandandoci se ce la faremo, ma piuttosto quale sarà la prossima sorgente che manderà un segnale sui nostri rivelatori. Noi siamo pronti” conclude Pia Astone.

“Questo risultato è per noi una grande soddisfazione - commenta invece Federico Ferrini, direttore di EGO - per il suo fondamentale contributo alle nostre conoscenze, e perché è frutto dell’impegno congiunto delle due collaborazioni LIGO e VIRGO, che bene rappresenta lo spirito proprio del mondo della ricerca, alla base del successo dei grandi progetti scientifici”. “Questa collaborazione internazionale sancita per la prima volta dall’accordo del 2007 ed estesa nel 2014 - spiega Ferrini - prevede lo scambio di soluzioni tecnologiche, il coordinamento nelle attività di ricerca e nelle campagne di presa dati, e la condivisione e l’analisi congiunta dei dati originali”.

L’OSSERVAZIONE. Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari: le 3 masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I due buchi neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce. L’osservazione conferma anche l’esistenza di sistemi binari di ‘buchi neri di massa stellare’, in particolare aventi massa maggiore di 25 masse solari. Il processo di fusione dei due buchi neri responsabile delle onde gravitazionali rivelate è un evento accaduto a 410 megaparsec da noi, e risale quindi a quasi un miliardo e mezzo di anni fa, quando sulla Terra facevano la loro comparsa le prime cellule evolute in grado di utilizzare l’ossigeno.

COME VENGONO RIVELATE LE ONDE GRAVITAZIONALI: GLI INTERFEROMETRI. Rivelare le onde gravitazionali è un’impresa complessa perché l’interazione gravitazionale è la più debole dell’universo. I fisici hanno così progettato speciali rivelatori, la cui realizzazione ha richiesto nuove soluzioni tecnologiche d’avanguardia. Sono gli interferometri laser: costituiti da due bracci perpendicolari lunghi chilometri (4 km in LIGO e 3 km in VIRGO) al cui interno sono fatti propagare fasci laser, riflessi da specchi per allungarne il percorso, e quindi ricombinati a formare una figura di interferenza. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro produce una variazione nella lunghezza dei bracci: uno si allunga mentre l’altro si accorcia. Queste variazioni di lunghezza, che sono molto più piccole del diametro del nucleo di un atomo, producono uno sfasamento della luce laser che viene osservato dal rivelatore.

IL SUONO DELLA COLLISIONE DI DUE BUCHI NERI

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