di Sandro Iannaccone Giornalista scientifico per Wired.it

Sarà il più grande rivelatore di onde gravitazionali mai costruito e servirà per spingerci a studiare l’universo prima della formazione delle stelle.

Lo European strategy forum on research infrastructures (Esfri), agenzia responsabile di indicare ai governi europei le priorità di ricerca scientifica, ha appena inserito il telescopio Einstein, un enorme rivelatore di nuova generazione di onde gravitazionali il cui costo si dovrebbe aggirare intorno a 1,9 miliardi di euro, nella road map dei progetti ritenuti validi e da mandare avanti.

Per quanto la fase operativa, al momento, sia ancora abbastanza lontana, si tratta comunque di un primo passo verso l’effettiva costruzione dello strumento, che dovrebbe essere il più grande rivelatore di onde gravitazionali mai costruito, dotato di una sensibilità fino a 10 volte superiore rispetto ai suoi predecessori e potenzialmente in grado di aiutarci a cercare le risposte alle grandi domande ancora aperte della cosmologia e della fisica, tra cui l’esistenza e la natura di materia ed energia oscure e la  Le onde gravitazionali sono una perturbazione dello spazio-tempo che si origina per effetto dell’accelerazione di uno o più corpi dotati di massa (due buchi neri o due stelle in rotazione, per esempio), si propaga alla velocità della luce e modifica localmente la geometria dello spazio-tempo stesso.

La loro esistenza discende direttamente dalle equazioni della teoria della relatività generale formulata da Albert Einstein oltre un secolo fa, ma è stato necessario aspettare fino al 2015 per osservarle direttamente: il loro effetto è estremamente debole, e quindi quasi sempre nascosto da altre perturbazioni esterne. La rivelazione delle onde gravitazionali richiede apparati di misura estremamente sofisticati e sensibili, i cosiddetti interferometri, strumenti in grado di misurare la discrepanza temporale nel cammino percorso da due onde di luce.

In particolare, un interferometro è una struttura composta da due bracci di lunghezza uguale, uno perpendicolare all’altro, a formare una L. Quando un’onda gravitazionale colpisce lo strumento, ci si aspetta che la perturbazione a essa associata faccia sì che la luce impieghi più tempo a percorrere un braccio rispetto all’altro.

Nel momento in cui gli strumenti registrano una differenza temporale di questo tipo, viene lanciata l’allerta del possibile passaggio di un’onda gravitazionale. Per dare un’idea di quanto siano deboli tali perturbazioni, si pensi che gli interferometri devono essere in grado di rilevare una differenza temporale pari allo spostamento del diametro di un capello su una distanza tra il Sole Alpha Centauri, cioè oltre quattro anni luce.

Nonostante queste enormi difficoltà, nel 2015, come dicevamo, i due interferometri dell’esperimento aLigo (di Hanford Livingstone), la cui collaborazione comprende anche gli scienziati italiani dell’esperimento Virgo, a Cascina, sono riusciti a rivelare il primo segnale di onde gravitazionali mai captato dagli esseri umani, emesso da due buchi neri che si sono fusi tra loro.

A questa prima storica rivelazione ne sono seguite altre: due anni dopo, gli occhi di aLigo, Virgo e dell’osservatorio Eso in Cile hanno osservato nuovamente un segnale di onde gravitazionali, generate però stavolta dalla collisione di due stelle di neutroni.

In un certo senso, si è trattato di una scoperta ancora più importante, dal momento che, a differenza dei buchi neri – che non emettono alcuna radiazione – le stelle di neutroni sono accompagnate dall’emissione di radiazione luminosa e di elementi pesanti, tra cui oro, platino e uranio, e forniscono quindi una miniera preziosissima di dati utili al miglioramento della nostra comprensione dell’Universo.

La comunità scientifica, tutt’altro che paga, ha continuato a guardare avanti: in verità già nel 2004, oltre dieci anni prima della rivelazione del 2015, due scienziati, il tedesco Harald Lück, del Max Planck Institute for Gravitational Physics, e l’italiano Michele Punturo, dirigente di ricerca dell’Infn di Perugia, cominciarono a pensare a un rivelatore di nuova generazione, ancora più grande, potente e sensibile dei suoi colleghi. Il telescopio Einstein, per l’appunto.

“Con i rivelatori che abbiamo oggi”, ci racconta Punturo, che è co-chair del comitato di gestione del telescopio Einstein e responsabile italiano del progetto, “riusciamo a vedere soltanto una ‘fetta’ dell’Universo, a distanza temporale relativamente limitata. Gli strumenti attuali hanno un limite fisiologico che non ci consente di guardare più lontano di 8 miliardi di anni dopo il Big Bang [circa 6 miliardi di anni fa, nda]; il telescopio Einstein, invece, ci consentirà di spingerci fino alla cosiddetta dark age, appena 100 milioni di anni dopo il Big Bang, prima della formazione delle stelle.

Il nuovo rivelatore, ci spiega Punturo, sarà un po’ diverso dagli interferometri esistenti: avrà forma triangolare, anziché a L, e a ciascun vertice del triangolo saranno posti due interferometri, per un totale di sei “occhi”.

Attualmente sono stati identificati due possibili siti per la sua costruzione: uno in nord Europa, al confine tra Belgio, Olanda e Germania, e un altro in Sardegna, in una zona a bassissima attività sismica e densità abitativa, il che rappresenta un significativo punto di forza perché minimizza il “rumore” esterno.

“Il telescopio Einstein – dice l’esperto – sarà multi-detector e multi-interferometro: in questo modo sarà possibile localizzare con più precisione la sorgente e scomporre il segnale nelle sue polarizzazioni. Aumenterà molto anche la sensibilità, il che ci permetterà di studiare i segnali con un livello di dettaglio molto più alto rispetto a quanto possibile fino a ora, e in questo modo potremo continuare a mettere alla prova la teoria della relatività generale in condizioni sempre più estreme”, il che è importante per capire se la teoria abbia dei limiti, quali sono questi limiti e se e come la si possa conciliare con la meccanica quantistica.

“E per tornare ai temi della materia oscura e dell’energia oscura – dice ancora Punturo – il telescopio Einstein potrebbe aiutarci a saperne di più. Ci sono dei modelli teorici, per esempio, che prevedono che lo spazio-tempo, dopo il Big Bang, abbia subito delle fluttuazioni quantistiche che hanno dato origine a buchi neri non stellari, e questi buchi neri potrebbero avere a che fare con la materia oscura.

Il telescopio potrà indagare anche la presenza di eventuali campi assionici, un’altra entità che potrebbe essere legata alla materia oscura. E ancora: caratterizzando con più precisione le onde gravitazionali si potrebbero verificare alcune teorie modificate della gravitazione che permetterebbero di non introdurre l’energia oscura nei modelli cosmologici”. Insomma, c’è una nuova fisica tutta da scoprire là fuori. “Siamo appena entrati in una fase analoga a quella in cui Galileo si portò agli occhi il cannocchiale – conclude Punturo -. E non vediamo l’ora di farlo”.

(Immagine: Einstein Telescope) Wired.it

AGC GreenCom 11 Luglio 2021 8:00