LIGO e Virgo alla nascita dell’astronomia gravitazionale

di Andrea Viceré

L’11 febbraio 2016, in due conferenze stampa simultanee dalla sede della National Science Foundation, a Washington DC (USA), e dallo European Gravitational Observatory, a Cascina presso Pisa, le collaborazioni LIGO e Virgo hanno annunciato la prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali, predette giusto cento anni fa da Albert Einstein.

Sulla stampa e sul web l’evento ha avuto risonanza vastissima e per giorni la pagina del New York Times dedicata a LIGO e alle onde gravitazionali è stata ai primissimi posti fra quelle visitate. Certo la fama sul web è passeggera: ma restano gli articoli scientifici, primo fra tutti quello pubblicato su Physical Review Letters, Observation of gravitational waves from a binary black hole merger, scritto in un linguaggio accessibile all’intera comunità scientifica.

È un successo anzitutto della fisica statunitense: dopo anni in cui la ricerca fondamentale è sembrata essersi spostata in Europa, come testimoniato dai tanti successi del CERN, culminati nella scoperta del bosone di Higgs nel 2012, ecco che gli interferometri LIGO, finanziati principalmente dalla NSF, portano un contributo rivoluzionario alla fisica e all’astrofisica.

Anche l’Europa è partecipe di questa scoperta: molti istituti di ricerca europei sono membri della LIGO Scientific Collaboration, che raccoglie fisici ed astrofisici dediti alla scienza di LIGO. Alcuni di questi istituti hanno dato anche contributi cruciali alla strumentazione: così il Laser Zentrum Hannover (Germania) ha costruito i laser, mentre l’Università di Glasgow (Regno Unito) ha realizzato il sistema di sospensione degli specchi, appesi a delicatissimi fili di quarzo.

Inoltre partecipano alla scoperta anche i fisici della collaborazione franco-italiana Virgo; infatti nel 2007 LIGO e Virgo hanno stretto un accordo esclusivo di scambio dati, formando gruppi congiunti di analisi, guidati da ricercatori di entrambe le collaborazioni. Così le due collaborazioni hanno pubblicato insieme tutti i risultati della prima generazione di rivelatori, i cosiddetti “Initial LIGO” e “Initial Virgo”. E quando nel 2010 gli interferometri LIGO sono stati spenti per realizzare la nuova generazione, detta “Advanced LIGO”, l’interferometro Virgo è rimasto in funzione un anno in più, per accorciare l’intervallo in cui nessuno strumento conduceva osservazioni; l’incubo di tutti era infatti una supernova galattica proprio al momento sbagliato! Inevitabilmente quindi Advanced Virgo è ora in fase di ultimazione e inizierà a prendere dati a fine 2016.

Ma perché questo accordo? Da soli gli interferometri LIGO hanno qualche limitazione: non possono ricostruire la polarizzazione dell’onda, perché sono quasi paralleli e quindi sensibili solo a una delle componenti. E soprattutto non possono localizzare bene la sorgente nel cielo; in effetti questi grandi interferometri sono piuttosto dei microfoni che non dei telescopi, con una risposta quasi omnidirezionale. Per localizzare la sorgente, come noi mammiferi che abbiamo due orecchie, utilizzano lo sfasamento dei tempi di arrivo del segnale, e con due strumenti si può localizzare la sorgente solo in un anello nel cielo. Aggiungendo uno strumento, meglio se lontano come Virgo, si incrociano vari anelli, localizzando l’evento in due aree più piccole nel cielo, e aggiungendo ulteriori informazioni sull’ampiezza del segnale è possibile indicare l’area più probabile.

L’analogia con un microfono è calzante: questi strumenti rivelano onde gravitazionali in un intervallo di frequenze fra 10 Hz e 10kHz, nel quale è più sensibile l’orecchio umano. Non è un caso: il nostro udito si è adattato a questa banda che sulla Terra è la più libera dal rumore di fondo, la migliore quindi anche per costruire uno strumento molto sensibile alle vibrazioni.

È importante localizzare bene le sorgenti: ad esempio, quando LIGO e Virgo osserveranno una collisione di due stelle di neutroni, sarà molto interessante controllare se si verifichi anche un coincidente lampo di raggi gamma, per dimostrare finalmente l’associazione fra i due fenomeni, a lungo postulata ma mai provata sperimentalmente.

La decisione di collaborare viene da lontano: quando LIGO decise la localizzazione dei suoi due strumenti, situati negli stati di Washington (nord ovest degli USA) e in Louisiana, sarebbe stato possibile orientarli a 45°, in modo da vedere entrambe le polarizzazioni delle onde. Ma sapendo che era in costruzione anche Virgo, e che avrebbe permesso di coprire l’altra polarizzazione, LIGO scelse di costruire i suoi strumenti paralleli, in modo da “vedere” il segnale allo stesso modo e facilitarne così l’identificazione.

Si sapeva infatti che i segnali sarebbero stati deboli, e che sarebbe stata necessaria un’analisi sofisticata per rivelarli; riceverli identici in due rivelatori distanti poteva aiutare. Eppure, siamo stati smentiti! L’evento del 14 settembre 2015 è stato così intenso che non occorre un’analisi sofisticata per rivelarlo, emerge abbastanza facilmente dai dati, e si può sentire anche a orecchio come un “blip”, pur di ascoltare nella banda giusta fra 35 Hz e 350 Hz.

È stata una mezza sorpresa anche la natura della sorgente: sappiamo già infatti che esistono stelle binarie di neutroni, come la famosa binaria PSR1913+16 che valse il Nobel a Hulse e Taylor. Abbiamo anche indicazioni indirette sull’esistenza di coppie di buchi neri di massa moderata, intorno alle 10 masse solari; abbiamo invece osservato una coppia di 29 e 36 masse solari, che ha formato un buco nero di 62! Masse maggiori danno segnali più intensi, ed ecco quindi la gradita sorpresa.

Tuttavia le analisi sofisticate sono state subito utili perché hanno permesso di stimare accuratamente i parametri della sorgente, e oltre alla rivelazione sono stati subito pubblicati diversi lavori sulle conseguenze astrofisiche. Una per tutte: l’esistenza di buchi neri di grande massa favorisce i modelli che ne prevedono la formazione al termine dell’evoluzione di stelle massicce e con bassa “metalliticità”, ossia che contengono per lo più idrogeno ed elio. Ma queste “stellone” sono sempre più abbondanti man mano che si va indietro nel tempo, ovvero si osserva più lontano, in regioni dell’Universo a elevato spostamento verso il rosso, dove si trova la “Popolazione II” delle stelle più vecchie conosciute. E possiamo ipotizzare che le stelle di “Popolazione III”, le prime formatesi dopo il Big Bang, abbiano formato buchi neri molto massicci.

Man mano che LIGO migliora la sensibilità e Virgo entra in campo completando la rete di rivelatori ci aspettiamo quindi un grande e rapido progresso nelle osservazioni; questi strumenti di seconda generazione saranno, una volta raggiunta la sensibilità di progetto, dieci volte più sensibili della prima generazione, e capteranno segnali dieci volte più lontani, da un volume di universo mille volte più grande. A questa prima osservazione contiamo così che facciano seguito molte altre.

Non a caso, quasi un centinaio di gruppi di astronomi hanno stretto accordi con LIGO e Virgo per ricevere in via riservata notizia dei candidati eventi, in modo da coordinare le campagne di osservazione nello spettro elettromagnetico.

Questa stretta collaborazione fra fisici delle interazioni fondamentali, astronomi e astrofisici è forse un segno dei tempi: le sfide della ricerca sempre più debbono coinvolgere esperti in campi solo in apparenza lontani. E richiedono appunto un modello di scambio delle informazioni differente da quello della fisica delle particelle: non appena il campo sarà maturo, quando cioè sarà stato osservato un buon numero di sorgenti gravitazionali, LIGO e Virgo renderanno pubblici immediatamente i candidati eventi, come già avviene con i Gamma Ray Burst, per permettere a tutti gli astronomi specializzati nei transienti di cercare delle controparti ottiche.

La nascita dell’astronomia gravitazionale è una bella ricompensa per quel migliaio di fisici che hanno investito in questo campo una gran parte della loro carriera scientifica, e motivo di soddisfazione in Italia per l’INFN e le Università che hanno partecipato.
È anche motivo di un certo orgoglio per Pisa, dove Virgo è stata realizzato; e anche la Normale ha contribuito, perfezionando alcuni dei fisici della Collaborazione, come Giovanni Losurdo che è attualmente il capo del progetto Advanced Virgo, Francesco Fidecaro che è stato spokesperson di Virgo fra il 2008 e il 2011, il suo studente Gabriele Vajente che ha avuto un ruolo chiave per la prima generazione di Virgo e ora in Advanced LIGO,  il compianto Stefano Braccini che realizzò le sospensioni anti-sismiche, e anche l’autore di questo articolo.

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Il segnale gravitazionale emesso durante la collisione e fusione di una coppia di buchi neri, come osservato il 14 settembre 2015 dagli interferometri gemelli LIGO.
[Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. Lett. 116, 061102, DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102 ]

Nella foto di copertina, vista aerea di Virgo, nella piana di Cascina (Pisa). Sono visibili i bracci nord e ovest, che si dipartono dall’area centrale dell’interferometro [Cortesia della Collaborazione Virgo]

 

Note biografiche dell’autore

Andrea Viceré è un fisico sperimentale delle interazioni fondamentali, Professore Associato all’Università di Urbino “Carlo Bo”.

Laureatosi a Pisa nel 1988 e perfezionatosi in seguito presso la Scuola Normale Superiore, discutendo una tesi in fisica teorica sulla fenomenologia del Modello Standard, nel corso della sua carriera si è dedicato anche alla cromodinamica quantistica su reticolo e al trasferimento tecnologico, particolarmente nel campo del calcolo ad alte prestazioni.

Dal 1996 si è interamente dedicato alla ricerca sperimentale nell’esperimento Virgo, ed è stato nel 2001 membro dello staff di LIGO presso il California Institute of Technology (CALTECH), per poi tornare in Italia e in Virgo con una posizione in Urbino.

I suoi interessi di ricerca spaziano attualmente dall’analisi dei dati alla costruzione e messa a punto di nuovi rivelatori, come Advanced Virgo e i futuri interferometri atomici.

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