Premio Nobel per la Fisica 2017: un commento
Il 3 ottobre scorso è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica 2017 a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne "per il contributo decisivo al rilevatore Ligo e all'osservazione delle onde gravitazionali". Pubblichiamo un commento di Filippo Martelli, docente di Fisica presso l'Università di Urbino e membro della collaborazione internazionale LIGO-Virgo, è stato insignito dello Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics e del Gruber Cosmology Prize 2016.
La prima osservazione diretta delle onde gravitazionali, alla base delle motivazioni per l'assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 2017, è avvenuta il 14 settembre 2015, alle 09:50:45 UTC, quando i due rivelatori interferometrici di LIGO hanno osservato simultaneamente un segnale di onde gravitazionali. Questa scoperta rappresenta certamente una pietra miliare nella storia della Fisica, in quanto segna la nascita dell'Astrofisica gravitazionale.
L'esistenza delle onde gravitazionali è una diretta previsione della teoria della relatività generale di Einstein. Il movimento di grande masse che curvano lo spazio-tempo è in grado di generare in esso delle deformazioni che si propagano come onde alla velocità della luce, come avviene se si fanno ruotare due corpi in uno specchio d'acqua.
L'interesse nella rivelazione delle onde gravitazionali non è tuttavia solo quello di trovare un'ulteriore conferma della teoria della relatività, ma riveste anche (e soprattutto) un interesse di carattere astronomico, dal momento che finora tutte le informazioni sui corpi celesti e sull'Universo in generale sono state ottenute dallo studio della radiazione elettromagnetica alle differenti lunghezze d'onda.
Quello delle onde gravitazionali è invece uno spettro completamente nuovo ed inesplorato, certamente foriero di nuove scoperte. Le sorgenti di onde gravitazionali più promettenti sono senza dubbio i sistemi binari di oggetti estremamente compatti durante le fasi finali della fusione. Infatti la forma d'onda osservata per la prima volta ha mostrato proprio la coalescenza di un sistema binario di due buchi neri di 36 e 29 masse solari che, fondendosi, hanno generato un buco nero di 62 masse solari, con l'emissione dell'energia equivalente a 3 masse solari sotto forma di onde gravitazionali.
Le onde gravitazionali generate dalla rotazione dei due buchi neri un attimo prima della loro fusione
Nonostante questa enorme emissione di energia, la grande distanza fa pervenire a noi un segnale molto debole, che provoca una minuscola deformazione dello spazio-tempo, accorciando le lunghezze in una direzione e allungandole in quella ad essa perpendicolare di una quantità così piccola da richiedere, per essere rivelata, di confrontare le due lunghezze con una precisione di almeno 10-22, una richiesta equivalente a quella di misurare la distanza che ci separa dalla stella più vicina con la precisione del diametro di un capello umano.
Per rivelare un segnale così piccolo si possono utilizzare dei grandi interferometri di Michelson, riflettendo un fascio di luce laser, diviso in due raggi ortogonali, su due specchi posti ad una distanza di 3 o 4 km e ricombinandolo per misurarne l'interferenza.
Ma una così grande precisione richiede di risolvere immensi problemi tecnologici: l'isolamento delle ottiche da qualunque vibrazione, la costruzione di cavità ottiche risonanti, l'utilizzo di laser di grande potenza, la ricerca nel rumore residuo di forme d'onda parametrizzate….
Così sono nati i due interferometri di LIGO negli USA e Virgo in Italia, a Cascina (Pisa) e la LIGO-Virgo Collaboration, che da circa un decennio condivide i dati dei tre rivelatori e le soluzioni tecnologiche trovate, con la finalità di realizzare una rete globale di rivelatori. Dopo alcune prese dati iniziali, gli interferometri sono stati migliorati fino a realizzarne le attuali versioni avanzate. Advanced Ligo è stato il primo ad entrare in funzione e con i due rivelatori sono state viste per la prima volte le onde gravitazionali. Advanced Virgo si è unito per la prima volta il primo agosto del 2017 e il 14 agosto ha rivelato un segnale di onda gravitazionale in coincidenza con gli interferometri americani, coincidenza che ha permesso per la prima volta di identificare con precisione la posizione della sorgente astrofisica.
L'antenna Virgo vista dal cielo, con i due bracci perpendicolari da 3 km ciascuno
Il contributo italiano a questa impresa, oltre che nell'aver ideato e realizzato molte delle parti essenziali dell'interferometro AdvancedVirgo, è anche particolarmente rilevante nell'analisi dei dati e nel coordinamento della rete globale che allerta, in caso di segnale gravitazionale, una vasta rete di osservatori elettromagnetici, nella speranza di identificare l'emissione elettromagnetica associata ad un segnale gravitazionale.
Il gruppo dell'Università di Urbino, legato alla Sezione di Firenze dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, ha avuto ruoli estremamente importanti nella collaborazione internazionale LIGO-Virgo, annoverando tra i suoi membri il coordinatore del progetto Advanced Virgo, uno dei coordinatori dell'analisi dati dei sistemi binari coalescenti e uno di quelli del sistema di allerta alla rete di osservatori. Ha inoltre dato contributi essenziali alla realizzazione delle sospensioni in silice fusa degli specchi, particolarmente importanti per aumentare la sensibilità alle basse frequenze, e allo studio del rivestimento riflettivo degli specchi, nell'ottica di abbassare una delle sorgenti di rumore più limitante.
