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Nessun’ombra sulle Onde gravitazionali: intervista a Federico Ferrini

Dopo le contestazioni del Niels Bohr Institute, la conferma di LIGO: nessun errore

Il 14 Settembre 2015 è avvenuto qualcosa di spettacolare: sono state rivelate direttamente per la prima volta le onde gravitazionali teorizzate da Einstein. La scoperta è stata annunciata alla comunitá scientifica l’11 Febbraio 2016, dopo accurate verifiche, dalla collaborazione tra i rivelatori LIGO e VIRGO, quest’ultimo ospitato dal Laboratorio EGO (European Gravitational Observatory) vicino Pisa, un grande orgoglio italiano.
La rilevazione di onde gravitazionali è stata una grande rivoluzione, e come tale è normale che, anche all’interno della comunità scientifica, possano sorgere dei dubbi.
I più recenti arrivano dall’Istituto Niels Bohr di Copenhagen, che ha contestato alcune delle misure fatte da LIGO. La risposta dei ricercatori responsabili della scoperta delle onde gravitazionali è arrivata immediatamente, ed è stata ritenuta ampiamente soddisfacente dalla comunitá scientifica, e dallo stesso gruppo che aveva posto il problema.

Per farcela spiegare meglio abbiamo fatto due chiacchiere con Federico Ferrini, giá Direttore EGO dal 2011 al 2017, attualmente Direttore del CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory), che ci ha raccontato qualcosa in più sullo svolgimento del loro esperimento e sulle misure di precauzione prese dalla collaborazione VIRGO-LIGO.

L’Interferometro VIRGO, situato a Cascina (PI)

 

Cosa sono le Onde Gravitazionali?

Le onde gravitazionali sono l’effetto della la perdita di Energia Gravitazionale che avviene durante il collasso di sistemi in una situazione molto critica e particolare. Per essere più chiari, Albert Einstein creando la relativitá generale, si è accorto che ci sono delle condizioni in cui la gravitazione “alla Newton”–quella classica, descritta dalla legge di attrazione gravitazionale studiata alle scuole superiori e che cosí bene spiega per esempio la struttura del sistema solare– rischia di non essere perfettamente adeguata.

Le situazioni critiche e particolari di cui parlo sono tali per cui esiste una condensazione di elevata Energia o Massa (E=Mc2, che tutti avranno visto da qualche parte, indica proprio questa intercambiabilitá tra le due) in uno spazio molto piccolo. In queste situazioni la buona vecchia fisica di Newton non funziona e se, in un contesto tale, avviene un fenomeno rapido o catastrofico (come potrebbe essere la collisione tra due stelle, magari un poco strane come le stelle di neutroni o i buchi neri) in questa concentrazione elevatissima di materia, parte dell’Energia viene persa–rilasciata sotto forma di onde.

Come si manifestano queste onde?

Onde Gravitazionali generate da un collasso di coppia di buchi neri

Sono a tutti gli effetti una perturbazione del tessuto dello spazio-tempo. La loro perturbazione è simile alla superficie dell’acqua quando vi viene gettato un sasso, anche se quelle gravitazionali sono chiaramente piú complicate. Queste non increspano la materia, bensí lo spazio-tempo, ovvero il reticolo che per Einstein riempe tutto l’universo. Il passaggio delle onde generate dal rilascio di energia creano delle distorsioni in questo reticolo in un modo molto preciso: lo dilata in una direzione e lo restringe in quella perpendicolare. Entrambi perpendicolari alla direzione da cui provengono le onde. É come se al passare, delle onde che ci arrivano incontro da davanti, ci rendessero prima alti e magri, poi bassi e larghi.

Questa deformazione che viaggia nello spazio alla velocitá della luce è quella che Einstein ha chiamato Onda Gravitazionale.

 

Di che ordine di grandezza si parla?

Premettiamo che, se queste onde fossero facilmente rivelabili, non ci sarebbe stato bisogno di ritirare fuori nel 2016 le equazioni di Einstein e patire cento anni per verificarle: sarebbero state studiate sperimentalmente molto prima. Il problema é che sono rare (poiché legate agli eventi catastrofici di cui parlavamo prima) e distanti, quindi si tratta di un effetto minuscolo. Se questi eventi non fossero cosí distanti, saremmo coinvolti anche noi nella loro catastrofe e non si farebbe in tempo a rivelarli che i problemi sarebbero ben altri.

A causa della distanza di questi eventi la deformazione diventa minuscola: sulla scala di un Km, è talmente piccola da essere un millesimo del raggio di un protone.

Per rendere ancora più apprezzabili le dimensioni: è come se la distanza tra la terra e il sole venisse variata delle dimensioni di un atomo.

Come avete fatto a rivelare una distorsione cosí piccola?

Interferometro di Michelson Fonte: LIGO

Fortunatamente, verso la metá degli anni ‘70, a qualcuno è venuto in mente di utilizzare un interferometro. L’interferometro è uno strumento ottico molto furbo. La luce viene mandata lungo due cammini, perpendicolari tra loro, alla fine dei quali vi sono degli specchi che rimandano indietro la luce. Questa luce si ricompone su un fotodiodo, un rivelatore, che vede questa luce al ritorno. Chiaramente, finché la lunghezza dei cammini rimane costante, lo rimane anche la luce.

Tutto il sistema è regolato in modo tale da non vedere luce in circostanze normali. Quando, invece, avviene un passaggio di Onde Gravitazionali, quello che succede è la stessa peculiaritá della loro deformazione contraddistinguente, ovvero, uno dei passaggi si accorcia mentre l’altro si allunga, in fasi. Quindi uno degli specchi si avvicina alla parte centrale e l’altro si allontana, facendo variare i cammini ottici, causando le cosiddette frange di interferenza.

Quanto deve essere preciso il fascio del laser affinché il suo movimento sia apprezzabile dal fotodiodo?

Il tipo di laser di cui avevamo bisogno non esiste sul mercato. I laser industriali hanno delle variazioni o fluttuazioni di un fattore di circa un miliardo di volte piú grande del segnale che dovevamo misurare.

È decisamente un problema trovare un laser che mandi un segnale migliore di un fattore di un miliardo rispetto al miglior laser che si trovi in commercio ma senza di esso non si vedrebbe nulla. Quindi abbiamo dovuto “ripulire” l’emissione del laser togliendogli ogni singola impurezza, le frequenze multiple e qualsiasi caratteristica che potrebbe creare delle fluttuazioni della luce grandi abbastanza da cancellare il segnale.

Questo non solo in entrata ma anche in uscita: abbiamo dovuto mettere dei banchi ottici – composti da centinaia di elementi- per purificare la luce sia prima che entrasse nell’interferometro che al momento del rivelamento.

Sono dei sistemi altamente sofisticati raggiunti dopo 20 anni di ricerca.

La purezza del laser resiste alla parziale diffrazione degli specchi?

Sufficientemente, perché questi specchi sono fatti appositamente per minimizzare la diffrazione e le impuritá del segnale. Sono specchi giganteschi di 40 kg, 35 cm di diametro, fatti in vetro purissimo al 99,9999% e con la superficie trattata e levigata a 0.5 nm. Sono specchi unici, abbiamo dovuto costruire un laboratorio apposta per poterli levigare con questa precisione e li abbiamo potuti fornire anche ai colleghi di LIGO e al KAGRA in Giappone.

Quali altre misure di precauzione avete dovuto prendere per isolare il segnale?

Innanzitutto i laser devono viaggiare nel vuoto, l’ideale sarebbe il vuoto assoluto, nessuna molecola o particella. Chiaramente questo non è fattibile ma ci siamo andati il piú vicino possibile, creando il vuoto più estremo che sia mai stato realizzato sulla terra: ovvero 10-12 Atmosfere su 7 000 m3.

Abbiamo anche dovuto isolare il rumore elettronico. Quello, purtroppo, è presente in qualsiasi strumento, qualsiasi cosa in cui scorra una corrente elettrica, quindi è richiesta un’elettronica molto piú sofisticata di quella in commercio. È stato fondamentale avere dei sistemi di filtraggio, come stabilizzare la temperatura dell’aria e la corrente elettrica.

Forse la precauzione piú affascinante è stata quella delle sospensioni per gli specchi.

Il Superattenuatore VIRGO

Al di lá dei terremoti da noi percepibili, c’è una micro sismicitá. Le piccolissime vibrazioni del terreno sono 100 miliardi di volte piú grandi degli spostamenti di quelli che le onde gravitazionali manifestano sui nostri specchi. Se non eliminassimo questi elementi, staremmo costruendo un rivelatore sismico anziché un rivelatore di Onde Gravitazionali.

Il trucco geniale: gli specchi sono tenuti sospesi con una catena di ammortizzatori, ciascuno dei quali smorza di un grande fattore la sismicitá del terreno su cui la colonna viene appoggiata. In questo modo si riescono a ridurre di una fattore d 10-15 volte le vibrazioni del terreno, facendo sí che lo specchio rimanga sospeso nel vuoto, senza oscillazioni.

Chiaramente, ogni volta che c’è un terremoto lo specchio si muove…quindi involontariamente abbiamo creato anche un rivelatore sismico di una raffinatezza unica.

Come mai, nonostante le precauzioni, altri enti, come l’Istituto Niels Bohr di Copenhagen, hanno avuto i loro dubbi?

Un dubbio legittimo, come è giusto che sia nella scienza. Nel passato, piú volte sono state annunciate scoperte di Onde Gravitazionali che alla fine si sono rivelate essere tutte delle clamorose bufale. È chiaro che l’Onda Gravitazionale sia una specie di Sacro Graal dell’Astronomia e il fatto che, dopo le teorie di Einstein, in tutto questo tempo non si fossero mai viste giá di per sé ha fatto scaturire dei dubbi sulla loro esistenza.

Gli scienziati di Copenhagen si sono posti il legittimo problema di verificare nuovamente una scoperta che, in passato, è stata smontata. Il fatto che si siano messi a rifare i conti non è una cosa sorprendente dal punto di vista fisico, è il normale approccio serio e analitico alle sperimentazioni.

Alla fine uno riporta i propri ritrovamenti sperimentali e li mette al servizio della comunitá scientifica.

In conclusione non si è trattato di altro che un mero fraintendimento. Una volta ricevuti i nostri calcoli in risposta hanno riconosciuto la legittimitá dei nostri risultati. Anche perché siamo stati estremamente prudenti in merito, proprio per evitare di annoverarci tra i vari falsi positivi visti in passato.

Questo riguardava la prima volta che avete rivelato delle Onde Gravitazionali, nel frattempo, ci sono state altre istanze?

In totale abbiamo classificato 10 collassi di coppie di buchi neri e un collasso di stella di neutroni su stella di neutroni. Quest’ultimo è stato l’evento piú vicino a noi, perché coinvolge molta meno massa, quindi doveva essere obbligatoriamente piú vicino affinché si potesse osservare con i nostri strumenti. I collassi dei buchi neri possono coinvolgere oggetti di 50 o piu’ masse solari, mentre le stelle di neutroni, in confronto, sono oggetti piccoli, appena una volta e mezza la massa del sole. Sono collassate a una quarantina di mega parsec da noi (130 milioni di anni luce, se volete) quindi relativamente vicine rispetto alle coppie di buchi neri, che variavano dagli 1,5 e 1,8 miliardi di anni luce da noi. I collassi di buchi neri coinvolgono una quantitá di massa davvero notevole, perdono magari 3-4 volte la massa del sole sotto forma di Onde Gravitazionali.

Nonostante fosse decisamente piú piccolo come evento, quello delle due stelle di neutroni è stato spettacolare. A meno di 2 secondi dall’arrivo del suo segnale all’interferometro, due satelliti che prendono le radiazioni gamma, quelle piú energetiche della fascia elettromagnetica, hanno ricevuto un segnale correlato alla posizione da cui era partita l’Onda Gravitazionale. Inoltre, dopo un paio d’ore, un telescopio ottico ha registrato anche un segnale luminoso proveniente dalla medesima direzione, una luce che poi rapidamente si è spenta. A seguire sono arrivati anche i relativi Raggi X, onde radio, et alia…tutto grazie alla prossimitá dell’evento. Il primo evento di quella che ora chiamiamo l’Astronomia Multi-Messenger. Questo é avvenuto il 17 Agosto dell’anno scorso.

Visualizzazione dei 10 collassi di coppie di buchi neri osservati da LIGO-VIRGO e le relative Onde Gravitazionali rivelate dagli Interferometri

Ringraziamo Federico Ferrini per le sue puntuali spiegazioni, e se volete saperne di più sull’astronomia multi-messenger e sul perché cambierà il nostro modo di “vedere” l’universo, cliccate qua.

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Caroline Ribi Zappi

È qua perchè ha sbagliato coordinate dimensionali. Nella vita reale é una persona seria, qui dà libero sfogo al suo nerdismo represso. Sogna invano di diventare il prossimo Piero Angela.

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