Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

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WASHINGTON - Lo hanno confermato, dagli Usa e dall’Osservatorio gravitazionale europeo (Ego), a Cascina, in provincia di Pisa. Quello che Einstein aveva solo ipotizzato ora è provato. Le onde gravitazionali esistono e sono state osservate. L’universo per la prima volta "ha parlato".

Le onde gravitazionali sono state rivelate lo scorso 14 settembre alle 10:50:45 ora italiana, e sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri. Che, quindi, sono una realtà.

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E’ stata proprio la collisione tra due buchi neri avvenuta un miliardo di anni fa a provocare il primo segnale delle onde mai scoperto, rilevato dalle antenne dello strumento Ligo ed analizzato fra Europa e Stati Uniti dalle collaborazioni Ligo e Virgo, alla quale l’Italia partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). Per la fisica è un risultato senza precedenti. Perché, oltre a confermare l’esistenza delle onde gravitazionali, fornisce anche la prima prova diretta dell’esistenza dei buchi neri.

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"Nel 1916 Einstein ha predetto le onde gravitazionali. Oggi siamo felici di annunciare che abbiamo rilevato per la prima volta le gravitazioni universali" è stato l’annuncio delle 16:30 (ora italiana) dato contemporaneamente negli Stati Uniti e in Italia, a Cascina. "Si apre un nuovo capitolo dell’astronomia", ha detto il coordinatore della collaborazione scientifica Virgo, Fulvio Ricci, presentando i dati.
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Il presidente del Consiglio, Matteo Renzi si è congratulato, con una telefonata a Fernando Ferroni, presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare per la scoperta da parte degli scienziati italiani, americani, e francesi. "Il presidente del Consiglio - ha detto Ferroni, nel corso della conferenza stampa a Pisa - ci ha chiamato per farci le sue congratulazioni e questo è un fatto rilevante in sè"

"Abbiamo osservato il primo evento in assoluto nel quale una collisione non produce dati osservabili, se non attraverso le onde gravitazionali", ha detto il coordinatore della collaborazione Virgo, Fulvio Ricci. Tutto, ha aggiunto, "è durato una frazione di secondo, ma l’energia emessa è stata enorme, pari a 3 masse solari". I due buchi neri formavano una ’coppia’, ossia un sistema binario nel quale l’uno ruotava intorno all’altro. "Avevano una massa rispettivamente di 36 e 29 volte superiore a quella del Sole. Si sono avvicinati ad una velocità impressionante, vicina a quella della luce. Più si avvicinavano, più il segnale diventava ampio e frequente, come un sibilo acuto; quindi è avvenuta la collisione, un gigantesco scontro dal quale si è formato un unico buco nero. La sua massa è la somma di quelle dei due buchi neri, ad eccezione della quantità liberata sotto forma di onde gravitazionali.
Simulazione di due buchi neri che si fondono emettendo onde gravitazionali / 1
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I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.

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Simulazione di due buchi neri che si fondono emettendo onde gravitazionali / 2
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Ligo è la sigla di un esperimento internazionale che dal 2004 cerca di rilevare in modo diretto le onde, della cui esistenza si hanno già prove indirette. Le cosiddette onde gravitazionali sono ondulazioni prodotte nello spazio-tempo da contaminazioni molto violente come l’esplosione di una supernova o la fusione di due buchi neri, che si propagano in tutto lo spazio. La teoria degli scienziati sostiene che queste onde abbondino e trasportino informazioni riguardo i fenomeni che diedero origine al Big Bang, da cui nacque l’universo.

La prima mail. E’ il 14 settembre 2015, al centro di calcolo Atlas del Max Planck Institute ad Hannover, poco prima delle 12 e il fisico italiano Marco Drago, responsabile dello studio di alcuni dei dati in arrivo delle due grandi antenne di Ligo ideate per captare le onde gravitazionali, ’vibrazioni’ dello spazio-tempo che potrebbero rivoluzionare lo studio dell’universo, riceve una mail di ’allerta’. E’ la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali. "Era poco prima di pranzo - spiega Drago - quando è arrivata una mail di avviso dell’algoritmo a cui lavoro che analizza i dati praticamente in tempo reale. Erano dati inusuali, molto diversi rispetto ai soliti avvisi. Straordinari, nessuno poteva immaginarseli così perfetti. Quello che definiamo un golden event".

Chiamando subito un collega, Drago capisce che quello che stanno osservando è un sistema binario di buchi neri ma non si illudono. Sono convinti che sia solo un falso, ossia dati inseriti volutamente nel sistema per verificare che tutti i sistemi di allerta funzionino correttamente. La certezza della scoperta è arrivata solo un mese dopo, "appena saputo della conferma abbiamo stappato una bottiglia che avevamo preparato in ufficio - ha aggiunto Drago - ma prima di poterla comunicare pubblicamente abbiamo dovuto aspettare mesi, ora si che faremo una bella festa".

Evitare fughe di notizia non è stato facile. "Il bello inizia adesso - aggiunge - aver visto le onde gravitazionali è il primo passo, ora sì che possiamo cominciare un nuovo tipo di fisica!".

Il ruolo dell’Italia. L’Osservatorio gravitazionale europeo (Ego) è responsabile per il funzionamento e la gestione di Virgo, progetto nato dall’originale idea dell’italiano Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet, e la cui collaborazione scientifica oggi conta circa 250 fisici e ingegneri, di cui la metà dell’Infn, provenienti da 19 laboratori europei. L’Infn partecipa a Virgo con le proprie Sezioni presso le università di Pisa, Firenze con il gruppo di ricerca di Urbino, Perugia, Genova, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata, Napoli, Padova, e i Centri Nazionali Tifpa di Trento e Gran Sasso Science Institute dell’Aquila.

"Questo successo è il coronamento di un’impresa scientifica da molti considerata al limite dell’impossibile, - sottolinea Gianluca Gemme, coordinatore nazionale Infn di VIRGO - nella quale l’Italia ha costantemente mantenuto un ruolo di leadership a livello mondiale, grazie all’impegno dell’Infn, iniziato nei primi anni ’70 del Novecento con le antenne risonanti e continuato dagli anni ’90 con l’interferometro Virgo, che oggi è uno dei tre strumenti più avanzati al mondo per la ricerca di onde gravitazionali". "L’aspetto più entusiasmante di questa scoperta - prosegue Gemme - è che essa non chiude un’epoca ma, anzi, apre una stagione di risultati scientifici di assoluto rilievo, nella quale l’Italia con l’Infn continuerà ad avere un ruolo di primissimo piano".
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Presso la sede del Gran Sasso Science Institute, uno degli istituti italiani coinvolti nella ricerca, si è svolta la diretta streaming della conferenza stampa, in un’affollatissima aula magna, alla presenza di personalità del mondo scientifico e della politica. "E’ un momento emozionante e indimenticabile: ho speso 35 anni della mia vita in queste ricerche", dichiara il direttore del Gssi Eugenio Coccia, "ed è meraviglioso avere in un sol colpo osservato le onde gravitazionali e dimostrato l’esistenza dei buchi neri. L’umanità acquista un nuovo senso: d’ora in poi non solo vedremo il cosmo, ma ascolteremo le sue vibrazioni, la sua musica". A questa impresa collettiva hanno collaborato 1004 ricercatori appartenenti a 133 istituzioni scientifiche di tutto il mondo. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, di cui il Gssi è centro di studi avanzati, è molto rappresentato e sono del Gssi 8 firme, tra cui 6 di giovani ricercatori da Italia, Cina, India e Pakistan.


ELENA DUSI
Cosa sono le onde gravitazionali?
Sono increspature dello spazio tempo previste dalla teoria della relatività generale. Secondo Einstein l’universo è formato da una trama di spazio e tempo. Quando un oggetto dotato di massa subisce un’accelerazione, questa trama si deforma come quando appoggiamo una palla di bowling su un lenzuolo steso. Questa deformazione si propaga nell’universo alla velocità della luce come un’onda e viene chiamata appunto onda gravitazionale.

Perché sono così difficili da osservare?
Perché le onde gravitazionali non interagiscono con la materia e sono molto deboli (la forza di gravità è la più debole fra le forze fondamentali dell’universo). Le onde gravitazionali erano l’ultimo tassello della relatività generale ancora da dimostrare sperimentalmente. Affinché sulla Terra giunga un’onda abbastanza intensa da essere osservata occorre che nell’universo si produca un evento cataclismatico: fusione di due buchi neri o di due stelle di neutroni, esplosione di supernove. La caccia alle onde gravitazionali andava avanti dagli anni ’60.
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Come sono state osservate?
Con uno strumento chiamato "interferometro a raggi laser". Questi interferometri sono formati da due tunnel lunghi alcuni chilometri (tre nel caso dell’osservatorio di Càscina, a Pisa, quattro nel caso dei due interferometri americani) disposti ad angolo retto. Nei due tunnel viene sparato un raggio laser, che rimbalza varie volte alle estremità e torna al punto di partenza. Se la lunghezza dei due bracci varia a causa del passaggio di un’onda gravitazionale, avviene uno "sfasamento" dei due raggi laser, che viene captato dagli strumenti. Per captare un’onda gravitazionale bisogna essere in grado di misurare variazioni dell’ordine di un miliardesimo del diametro di un atomo (10 alla -19 metri) su un braccio che è lungo 3 chilometri.

Come facciamo a sapere che il segnale che abbiamo captato è stato emesso da due buchi neri?
Quando due buchi neri stanno per fondersi, iniziano ad avvicinarsi lungo una vorticosa orbita a spirale. In questa situazione emettono onde gravitazionali a frequenze sempre crescenti, per poi cessare improvvisamente ogni emissione nel momento in cui si congiungono. Le onde gravitazionali sono state "tradotte" dai fisici anche in onde sonore. La fusione dei due buchi neri viene descritta come un cinguettio, in cui l’altezza del suono aumenta progressivamente per poi zittirsi del tutto. Il segnale dura alcuni secondi.

A cosa serve osservare le onde gravitazionali?
A studiare nuovi fenomeni dell’astronomia, i più cataclismatici. Per la prima volta, ad esempio, avremmo la prova inconfutabile dell’esistenza dei buchi neri. Finora abbiamo osservato gli oggetti celesti tramite la luce che emettevano, o i raggi x o le onde radio. Ma queste onde elettromagnetiche non vengono emesse dai buchi neri: restano intrappolate al loro interno. Oppure potrebbero essere assorbite o distorte lungo il loro viaggio nell’universo. Le onde gravitazionali invece ci danno informazioni anche su quel che avviene nei buchi neri, e viaggiano indisturbate per tutta l’estensione dello spazio tempo. Potrebbero fornirci dati importanti anche su stelle di neutroni e supernove.

Ci spiegheranno anche cosa è avvenuto nel Big Bang?
Teoricamente questo è possibile, anche se le onde gravitazionali emesse durante il Big Bang sono molto deboli e i nostri strumenti sono assai lontani dall’avere la sensibilità necessaria a captarle. Attualmente, studiando le radiazioni elettromagnetiche, si riesce a risalire indietro nel tempo fino a 380mila anni dopo il Big Bang (quando le radiazioni elettromagnetiche sono riuscite a "liberarsi" dalla materia ancora molto densa). Con le onde gravitazionali è possibile - ma solo teoricamente - risalire a 10 alla meno 43 secondi dopo il Big Bang (meno di un miliardesimo di miliardesimo di secondo). L’interferometro italiano Virgo, però, ha la sensibilità per arrivare a 10 alla meno 28 secondi dopo il Big Bang. Si sta lavorando per realizzare un interferometro nello spazio (il progetto si chiama Lisa), con tre satelliti che si inviano raggi laser a un milione di chilometri di distanza l’uno dall’altro.

Simulazione di due buchi neri che si fondono emettendo onde gravitazionali / 1
I due buchi neri si trovano inizialmente a distanza di 30mila chilometri, si muovono uno intorno all altro su orbite a spirale. In arancione le onde gravitazionali. I buchi neri sono circondati da intensi campi gravitazionali la cui forza diminuisce man mano che ci si sposta dall interno (verde) verso l esterno (rosso). Alla fine i due buchi neri si fondono dando vita a un nuovo buco nero

HAWKING
LONDRA - La rilevazione delle onde gravitazionali, ultima predizione delle teorie di Albert Einstein che rimaneva da provare, apre le porte a "un nuovo modo di guardare l’universo". A dirlo, in un’intervista alla Bbc, è il fisico Stephen Hawking, 74 anni, esperto nel campo dei buchi neri. "La capacità di rilevarle ha il potenziale di rivoluzionare l’astronomia", ha aggiunto, spiegando che i segnali rilevati costituiscono anche "la prima prova di un sistema binario di buchi neri e la prima osservazione di fusione di buchi neri".

"Oltre a provare la teoria della relatività generale, possiamo aspettarci di vedere i buchi neri nel corso della storia dell’universo. Potremmo addirittura vedere le vestigia dell’universo primordiale,
durante il Big Bang" grazie alle onde gravitazionali, ha sottolineato il fisico. La ricercatrice dell’università di Glasgow Sheila Rowan, che ha partecipato al progetto Ligo che ha rilevato le onde, ha descritto il lavoro fatto come un "viaggio affascinante".

VIRGO
L’aspetto di Virgo, lo strumento progettato per dare la caccia alle onde gravitazionali, è quello di "due nastri blu" che si incontrano nella campagna alle porte di Pisa, a Cascina. Virgo lavora in tandem con l’americano Ligo. Nato dall’idea lanciata a metà degli anni 80 dai fisici Adalberto Giazotto e Alain Brillet, Virgo fa parte dell’Osservatorio gravitazionale europeo (Ego), fondato nel 2000 dall’Italia, con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e dalla Francia, con il Consiglio nazionale della ricerca scientifica Cnrs. Oggi Ego è diretto da Federico Ferrini e vi lavorano circa 250 ricercatori di 19 laboratori di 5 Paesi (Italia, Francia, Olanda, Polonia e Ungheria). La collaborazione Virgo è coordinata da Fulvio Ricci, di Infn e università Sapienza di Roma.

Costato complessivamente circa 78 milioni di euro, Virgo è costituito da due bracci gemelli lunghi tre chilometri, nei quali, all’interno di tubi a vuoto, viaggiano due fasci laser ottenuti dividendo in due un unico fascio con uno specchio. All’interno di ogni tunnel, i fasci laser vengono riflessi da speciali specchi che li fanno viaggiare avanti e indietro per centinaia di volte, allungandone il percorso fino a 300 chilometri. Quando le due metà dei fasci laser tornano a unirsi, si produce una figura d’interferenza. Vale a dire che se uno dei due fasci laser viene colpito da un’onda gravitazionale, può allungarsi o accorciarsi rispetto all’altro. Questa tecnica permette di rilevare variazioni piccolissime, delle dimensioni di un miliardesimo del diametro di un atomo.

Questa sensibilità potrà essere ulteriormente aumentata nella versione potenziata di Virgo (Advanced Virgo) prevista nella seconda metà del 2016. Lo strumento diventerà circa 10 volte più potente e potrà guardare 10 volte più lontano, ampliando di 1.000 volte il volume di universo che potrà osservare. Grazie all’accordo di collaborazione firmato nel 2007 ed esteso nel 2014, Virgo e Ligo lavorano in tandem, i dati sono messi in comune e analizzati insieme, e insieme si pubblicano i risultati scientifici.

Le due antenne di Virgo che si trovano negli Stati Uniti sono entrati in funzione nel 2004 (ad Handford, nello Stato di Washington, e a Livingston, nella Louisiana). Recentemente sono stati potenziati ed è stata questa nuova versione, chiamata Advanced Ligo, ad ascoltare per la prima volta le vibrazioni dello spazio-tempo. Diretta da Gabriela Gonzales, la collaborazione Ligo (Laser InterferometerGravitational-WaveObservatory)
è condotta congiuntamente dal Massachusetts Institute of Technology (Mit) e dal California Institute of Technology (Caltech), insieme ad altri centri di ricerca e università degli Stati Uniti, e comprende oltre 900 ricercatori di tutto il mondo.