La Nuova Sardegna

di MASSIMO CARPINELLI

Lontano dalla nostra galassia, nell’oscurità dello spazio, due buchi neri massivi, spiraleggiando alla folle velocità di 150.000 Km/h pari a circa metà della velocità della luce, si sono alla fine urtati e fusi in un unico buco nero più grande di loro, emettendo energia in tutto l'universo sotto forma di onde gravitazionali. Potrebbe essere l'inizio di un episodio di Star Wars, ma è esattamente quello che è successo a circa 410 megaparsec da noi, quindi circa un miliardo e 300 milioni di anni fa, più o meno quando sulla Terra l'atmosfera si stava arricchendo di ossigeno e si preparava l'ambiente per la vita come noi la conosciamo.

È stato allora che due buchi neri, uno di massa equivalente a circa 29 masse solari e l'altro pari a 36 masse solari, si sono fusi in un unico buco nero ruotante di massa pari a 62 masse solari. Nell'ultimo istante prima della fusione l'energia equivalente a 3 masse solari è stata emessa come onde gravitazionali. Di questo spettacolare evento cosmico non avremmo avuto notizia se non fosse per una collaborazione internazionale di fisici, che hanno per la prima volta dimostrato sperimentalmente l'esistenza delle onde gravitazionali. E la scoperta è di quelle che ti fanno prenotare un biglietto e un abito da sera per Stoccolma.

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Quasi 100 anni fa Albert Einstein elaborò la teoria della relatività generale: la più bella teoria mai scritta, secondo alcuni; senz'altro la teoria che ha rivoluzionato il modo in cui pensiamo lo spazio e il tempo. La gravità curva lo spaziotempo. Come esempio una palla pesante poggiata su una membrana elastica la curva; una seconda palla poggiata sulla stessa membrana la curva a sua volta, e le due palle corrono una verso l'altra scivolando lungo la deformazione.

La teoria di Einstein spiega la gravità con poche, eleganti equazioni: ma dagli sviluppi di queste equazioni si possono inferire oggetti dalle proprietà straordinarie. Cosi è accaduto per l'esistenza dei buchi neri; cosi è accaduto per le onde gravitazionali.

I fenomeni ondulatori (“onde”), sono uno dei fenomeni più affascinanti della fisica e uno di quelli a noi più familiari: pensiamo alle onde sonore, alle onde elettromagnetiche, pensiamo quelle che per usiamo per comunicare con i telefonini, o alla luce (anch’essa un onda elettromagnetica). Le onde elettromagnetiche e le onde gravitazionali, si possono propagare anche nel vuoto, alla velocità della luce, usando lo spazio tempo come mezzo, cosi come le onde sullo stagno usano l’acqua o il suono l’aria. La scoperta di Einstein è stata che se una massa viene accelerata vengono emesse onde gravitazionali, che poi si allontanano dalla sorgente.

Come mai le onde gravitazionali non sono mai state osservate? Il motivo è semplice, l’interazione gravitazionale è molto debole rispetto alle altre interazioni (quella elettromagnetica o quella nucleare per esempio) e per poter essere osservate devono essere prodotte da oggetti estremamente massivi: buchi neri, stelle di neutroni che orbitano uno intorno all'altro, esplosioni di una supernova. Tutti fenomeni che coinvol. gono masse e accelerazioni enormi, liberando energie straordinarie su scala cosmica.

Una volta prodotte bisogna osservarle. Le onde gravitazionali sono state osservate il 14 settembre del 2015 alle 10:50:45 ora italiana, simultaneamente da due strumenti simili, detti interferometri gravitazionali, posti uno a Hanford nello stato di Washington e l'altro a Livingston in Louisiana dalla collaborazione Ligo; il terzo interferometro, costruito a Pisa dalla collaborazione Virgo dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, non stava prendendo dati in quel momento, ma i fisici italiani hanno analizzato i dati dell'evento. La collaborazione internazionale permette di ottimizzare le risorse e ottenere le conferme necessarie all'osservazione di un fenomeno estremamente elusivo; inoltre la distanza tra gli interferometri permette di capire meglio le proprietà della sorgente di onde gravitazionali.

Com'è fatto e come funziona un interferometro gravitazionale? Esso è composto da due tunnel di uguale lunghezza posti ad angolo retto a formare una L; qui un fascio laser viene diviso in due e mandato nei due tunnel (“bracci”), dove specchi di grande massa riflettono la luce che viene poi ricombinata su un rivelatore. In assenza di onde gravitazionali la luce dei due laser impiega esattamente lo stesso tempo per andare avanti e indietro nei due bracci, in modo che quando i due fasci vengono ricombinati si osserva una certa figura di interferenza. Se invece un’onda gravitazionale passa sull'interferometro, la lunghezza dei bracci cambia di una quantità infinitesima (una frazione della dimensione del protone), e la luce del laser non impiega lo stesso tempo a percorrere i due bracci. Risultato: la figura di interferenza osservata cambia: l’onda gravitazionale è stata osservata. Il segnale osservato ha una frequenza tra 35 e 250 oscillazioni al secondo, se fosse un suono potremmo sentirlo. Il problema è che per osservare queste infinitesime variazioni di lunghezza è necessario isolare lo strumento da ogni perturbazione: una impercettibile vibrazione e il segnale sparisce. Solo la determinazione e l'audacia intellettuale di persone come Adalberto Giazotto, dell'Infn di Pisa ha permesso di impiegare finanziamenti ingentissimi, decine di anni di lavoro e centinaia di scienziati in quest’impresa storica, considerata impossibile fino a pochi decenni fa.

L’osservazione sperimentale delle onde gravitazionali, oltre a confermare ancora una volta che la teoria della relatività è corretta anche nelle sue previsioni più straordinarie, offre un campo di ricerca completamente nuovo. Fino ad oggi guardavamo l'Universo attraverso la luce, le onde radio, i raggi X, le particelle cosmiche; ora abbiamo un nuovo strumento, quello delle onde gravitazionali, prodotto dagli oggetti più straordinari del cosmo e dal Big Bang stesso; per fare un’analogia, è come se ai nostri cinque sensi umani ora potessimo aggiungere un superpotere da eroe dei fumetti: negli anni a venire dovremo imparare a usare questo nuovo “sesto senso”, perfezionando gli strumenti esistenti e costruendo nuovi interferometri, sempre più sensibili, per osservare e comprendere origini e struttura dell’Universo.

Per portare questi strumenti alla massima sensibilità possibile è necessario costuirli su terreni con bassissimo rumore sismico. In Italia e in Europa la Sardegna, come è noto, è una della zone a più bassa sismicità: mi piacerebbe se tra qualche anno le prossime onde gravitazionali fossero osservate da un interferometro costruito in Sardegna.

Rettore dell’Università di Sassari