INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Il 14 Settembre 2015 è entrato a buon diritto nella storia della scienza per la prima osservazione diretta di un’onda gravitazionale, GW150914, effettuata dai due interferometri LIGO negli Stati Uniti. Questo evento, e le due successive osservazioni (GW151226 e GW170104, rispettivamente nel 26 Dicembre 2015 e nel 4 Gennaio 2017) hanno coronato una lunga e faticosa ricerca, cominciata da Joseph Weber negli anni ’60, giustamente premiata nel corso di quest’anno con il Nobel per la Fisica, assegnato a Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne.
Negli interferometri gravitazionali un fascio laser, incidendo su uno specchio semitrasparente, viene suddiviso in due fasci che si propagano, sotto vuoto, in due bracci perpendicolari, lunghi qualche chilometro. Questi due fasci, riflessi da specchi, dopo aver percorso ciascuno il proprio braccio un centinaio di volte, si ricombinano su un rivelatore di luce, dando luogo a una figura d’interferenza: una successione di zone luminose e oscure alternate. Il passaggio di un’onda gravitazionale nell’interferometro si traduce in variazioni di segno opposto nella lunghezza dei bracci: uno si allunga, l’altro si accorcia. I due fasci, quindi, percorrono tratti diversi da quelli originali e la figura d’interferenza si modifica. La variazione delle lunghezze dei due bracci è molto piccola, minore delle dimensioni di un atomo. Per questo la rivelazione delle onde gravitazionali è stata possibile solo grazie allo sviluppo di tecnologie molto avanzate per il laser, le sospensioni e gli specchi.
Nel mese di Agosto 2017, ai due interferometri americani LIGO si è aggiunto Virgo. Si tratta di un interferometro con bracci da 3 km, situato a Cascina (Pi), il cui progetto e la realizzazione iniziale risulta da una collaborazione italo-francese tra l’INFN e il CNRS, alla quale si sono aggiunti, negli ultimi dieci anni, enti di ricerca di altre nazioni europee. Il 14 Agosto 2017 è avvenuta la prima osservazione congiunta di un’onda gravitazionale con tre interferometri, GW170814, che come per gli eventi precedenti è stata prodotta dalla fusione di buchi neri con masse dell’ordine di decine di masse solari.
La rivelazione con tre interferometri laser ha reso finalmente possibile la localizzazione della sorgente, di fondamentale importanza per la successiva rivelazione di GW170817, prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni nella galassia NGC 4993, distante 130 milioni di anni-luce. Il resoconto di tale scoperta è apparso il 16 ottobre scorso sulla prestigiosa Physical Review Letters [1]. Infatti nella fusione di due stelle di neutroni, al contrario degli eventi precedenti, è prevista anche l’emissione, più o meno ritardata, di radiazione elettromagnetica in un ampio spettro di lunghezza d’onda, dai raggi γ alle onde radio.
La localizzazione della sorgente ad opera degli interferometri gravitazionali, in un’area angolare di circa 5 gradi di lato, ha permesso il puntamento di più di 70 telescopi operanti su tutto lo spettro elettromagnetico, che hanno effettuato la rivelazione di un lampo di raggi γ (Gamma Ray Burst) e hanno continuato a osservare l’evoluzione della sorgente per diversi giorni.
Da questo primo assaggio di astronomia multi-messaggero (una stessa sorgente viene studiata osservando diversi tipi di radiazione) sono derivate molteplici scoperte sulle onde gravitazionali, sui lampi di raggi γ e sulla nucleosintesi cosmica. Innanzitutto, dal confronto dei tempi di arrivo delle onde gravitazionali e dei raggi γ si è avuta l’indicazione che le onde gravitazionali si muovono alla velocità della luce. In secondo luogo, sebbene fossimo a conoscenza dell’esistenza dei lampi di raggi γ sin dagli anni ’60, solo adesso, per la prima volta, siamo stati in grado di osservarne l’emissione nella fusione di due stelle a neutroni. Infine, lo studio della radiazione elettromagnetica emessa nell’infrarosso, nel visibile e nell’ultravioletto ha consentito di dimostrare la produzione di nuclei di elementi pesanti, come oro e platino, nell’evento (classificato come “kilonova” per via della massa complessiva in gioco).
L’astronomia multi-messaggero con l’aggiunta della rivelazione delle onde gravitazionali consentirà lo studio approfondito dei fenomeni dell’universo violento, di cui si aveva una conoscenza parziale o probabilmente di scoprirne di nuovi.
Dallo scorso settembre, e per i prossimi due anni, gli interferometri gravitazionali LIGO e Virgo saranno spenti per le necessarie operazioni di manutenzione e miglioramento finalizzate all’aumento della sensibilità, ovvero della massima distanza alla quale è rivelabile una sorgente (fino ad adesso abbiamo esplorato distanze tra 60 e 300 milioni di anni-luce, a seconda dell’interferometro). Poiché più guardiamo lontano nello spazio più risaliamo indietro nel tempo, questo consentirà di osservare fenomeni sempre più prossimi al Big Bang.
Nei prossimi anni entreranno in azione anche altri interferometri: KAGRA in Giappone (probabilmente nel 2018) e LIGO-India. Sono anche in fase di studio nuovi e più potenti interferometri gravitazionali, da situare in laboratori sotterranei (Einstein telescope) o nello spazio (LISA). Un aumento dei rivelatori sarebbe auspicabile anche per mantenere la rete dei rivelatori permanentemente in presa dati, dato che i tre interferometri attualmente lo sono soltanto per circa il 50% del tempo. La minimizzazione dei periodi in cui i rivelatori sono spenti sarebbe di grande importanza per studiare sorgenti con onde gravitazionali e neutrini. Infatti esplosioni di supernovae o fusioni di stelle di neutroni sono supposte emettere anche neutrini, i quali, però, per le proprietà dell’interazione debole, sono osservabili in maniera copiosa solo da sorgenti galattiche o comunque molto vicine, che ci si aspetta di osservare con una frequenza di qualcuna ogni secolo.
A tale riguardo è interessante notare come nel 2017 cada il trentennale dell’osservazione dell’esplosione della supernova SN 1987a, nella quale per la prima e finora ultima volta, oltre alla luce, venne misurata l’emissione di neutrini da tre rivelatori: Kamiokande in Giappone, IMB negli Stati Uniti e Baksan in Russia. (Alessandro Paoloni)
[1] – L’articolo è liberamente consultabile al seguente link.
Videografia
https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817