Penelope Rose Cowley (Braintree, Essex, UK, 1981 - ) - Art and Science: Gravitational Waves
Medaglia Dirac, prestigioso premio alla scienziata italiana Alessandra Buonanno
di Vincenzo Rampolla
Alessandra Buonanno dirige la Divisione di Astrofisica e Relatività Cosmologica dell’Istituto tedesco Max Planck. Dopo la laurea e il dottorato in Fisica all’Università di Pisa, ha lavorato al Cern di Ginevra e poi in Francia, all’IHES (Institut des Hautes Etudes Scientifiques) e nel Laboratorio di Astrofisica e Cosmologia di Parigi (2001), nell’Università del Maryland (2005) e nel 2014 è stata nominata co-direttrice per la fisica gravitazionale all'Istituto Max Planck di Potsdam. Oltre a essere la prima italiana, Buonanno è la seconda donna in assoluto a ricevere la medaglia Dirac.
Con lei sono stati premiati i tre fisici Thibault Damour, Frans Pretorius e Saul Teukolsky. Damour, lavora in Francia all’IHÉS e nel 2016 ha vinto lo Special Breakthrough Prize per la fisica fondamentale per la rilevazione delle onde gravitazionali; Pretorius dirige la Princeton Gravity Initiative all’Università di Princeton, è autore del primo codice informatico che simula la fusione di due buchi neri; Teukolsky lavora negli Usa, presso il California Institute of Tecnology (Caltech) e la Cornell University.
Dice Buonanno: È stata una magnifica sorpresa, non me l’aspettavo. Un riconoscimento molto bello, non solo alla mia ricerca nel campo delle onde gravitazionali, ma per quella fatta in 15 anni dal mio gruppo di lavoro dell’Università del Maryland e del Max Planck. Buonanno è la signora che ascolta i sussurri dei buchi neri, così la comunità scientifica l’ha ribattezzata, riconoscendole il merito di aver creato le basi per individuare per la prima volta nel 2015 le onde gravitazionali.
Grazie all'osservatorio LIGO e alle ricerche sulla fusione di un sistema binario di buchi neri, ha dedotto le loro proprietà astrofisiche e cosmologiche. Buonanno è considerata la pioniera della fisica gravitazionale per la capacità di aggregare i risultati di calcoli e di simulazioni relativistiche per costruire precisi modelli di forme d'onda usati per la prima volta nella ricerca di onde gravitazionali. È iniziata una nuova era per noi – ha dichiarato dopo la notizia del premio - quella dell'astrofisica basata sullo studio delle onde gravitazionali, che ci insegnerà molto sull'universo. È una cosa straordinaria. Come esseri viventi abbiamo costruito un linguaggio, con la matematica e la fisica, che ci permette di andare indietro nel tempo e capire come era l'Universo miliardi di anni fa.
Il Premio Dirac è il nome di 4 onorificenze conferite nella ricorrenza della nascita di Dirac a scienziati che si sono distinti nella fisica teorica, nella matematica e nella chimica - il Nobel non prevede premi per la matematica -. Paul Dirac, fisico britannico premio Nobel per la fisica nel 1933 è tra i fondatori della teoria quantistica, creatore dell'omonima equazione e precursore dell'antimateria. Giudicato da amici e colleghi di carattere insolito e schivo, era noto per l'estrema riluttanza a parlare. I suoi colleghi a Cambridge ironicamente avevano istituito il dirac, l’unità di misura della loquacità: un dirac valeva l'emissione di una parola all'ora.
In una lettera del 1926 a Paul Ehrenfest, Albert Einstein scrisse di lui: Questo equilibrio sul vertiginoso percorso tra il genio e la pazzia, è impressionante. Sua genialità è stata l'introduzione della notazione bra-ket – lacrime e sangue per i laureandi in fisica nucleare - che ha consentito di inserire nella meccanica quantistica la matematica degli spazi vettoriali. Più dei fisici suoi contemporanei, ha assegnato al concetto di bellezza matematica un ruolo preminente tra gli aspetti basilari della Natura, fino a sostenere che una teoria che includa la bellezza matematica ha più probabilità di essere giusta e corretta rispetto ad una teoria sgradevole, pur confermata dai dati sperimentali.
La scoperta delle onde gravitazionali deve tutto a LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), costruito in Usa, voluto dal Caltech (California Institute of Technology) e dal MIT (Massachusetts Institute of Technology) e sponsorizzato dal NSF (National Science Foundation). LIGO impiega fasci laser per catturare il passaggio di onde gravitazionali. La sua costruzione, terminata nel 1999, è costata $365 milioni e resta il più grande e ambizioso progetto finanziato dalla NSF. Dal 2002 al 2010 LIGO, non avendo rilevato alcuna onda gravitazionale, è rimasto inattivo per 5 anni, durante i quali gli impianti sono stati sostituiti e potenziati. L’operazione di revisione, costata $200 milioni, ha portato a Advanced LIGO, un osservatorio fino a 10 volte più sensibile ai segnali.
Il 18 settembre 2015, ha iniziato le prime osservazioni scientifiche a circa 4 volte la sensibilità iniziale degli interferometri e la sensibilità è stata estesa fino a operare al massimo nel 2021. LIGO è composto da 2 impianti gemelli separati, gestiti come un unico grande osservatorio, aperto alla comunità scientifica mondiale. Le due stazioni si trovano a Livingston (Louisiana), e Hanford (Washington), con i 2 rilevatori distanti 3.000 km: più grande è il rivelatore, più è sensibile.
È fondamentale la presenza di almeno 2 rilevatori, perché in uno dei siti potrebbero verificarsi micro-terremoti o eccessivi disturbi acustici o instabilità del laser; ciò porterebbe a interferenze che, nelle simulazioni di onde gravitazionali, inquinerebbero il risultato. È improbabile che nello stesso istante si verifichino disturbi analoghi in due luoghi molto distanti, sono perciò essenziali più rilevatori. Ogni interferometro è lungo 4 km e presenta una forma a L, con bracci disposti ad angolo retto. È il principio dell’interferometria. Semplice: uno specchio semitrasparente, posto nell’angolo della L, scinde un fascio laser in 2 fasci, li invia nei 2 bracci, in fondo incontrano altri 2 specchi che li riflettono. I fasci intensi e molto stabili circolano avanti e indietro in tubi sotto vuoto, con un tragitto di riflessioni multiple per un totale di 120 km.
I fasci rendono misurabile con elevatissima precisione le lunghezze dei tratti tra i 2 specchi super tarati su cui si riflettono. I veri sensori sono gli specchi: eventuali onde gravitazionali che investono i rilevatori interferiscono con l’andirivieni dei fasci. Si tratta di impercettibili disturbi, di 1 centomilionesimo del diametro di un atomo di idrogeno (1/10²⁰ m) denominati increspature, rilevabili solo isolando tutti i disturbi provenienti dall’esterno, come vibrazioni sismiche o molecole di gas presenti all’interno dei due tunnel schermati in cemento (diametro 1,2 m) e sotto vuoto ultra spinto. Le infinitesimali variazioni spazio-temporali raccolte dal sistema, trasmettono sul monitor di controllo un segnale che rivela l’eventuale esistenza di un’onda gravitazionale. Semplice, vero... registrare differenze di tragitti di raggi di luce.
Una volta registrata l’onda gravitazionale, resta la domanda: da dove viene, di che tipo è la sorgente? E per determinare l’esatta posizione celeste, è necessario un terzo interferometro, un terzo punto del calcolo, secondo l’antichissima regola della triangolazione – dei geometri egizi e di Eratostene – che raccolga i dati provenienti da più interferometri situati in diverse parti del pianeta. Per questo la caccia alle onde gravitazionali impegna ricercatori di diversi Paesi e Istituzioni. Lo stesso LIGO fa parte di un network internazionale di migliaia di osservatori volontari per l'analisi parallela eseguita sui loro computer, a cui si aggiungono GEO 600 (Hannover, Germania), TAMA (Tokyo, Giappone) e Virgo (Pisa, Italia).
È grazie alla collaborazione LIGO/Virgo di Pisa e al software italiano di analisi dei dati che si è arrivati alla rilevazione delle onde gravitazionali. Virgo prende il nome dall'ammasso di galassie della Vergine, di cui intende tracciare le esplosioni stellari. È un interferometro realizzato dall’ottimo lavoro Francia - Italia e installato nella campagna pisana, a Santo Stefano a Macerata, villaggio del comune di Cascina, con braccio di 3 km, apertura di 11 laboratori in Francia e Italia e un gruppo di 150 scienziati. Paesi Bassi, Ungheria e Polonia si sono gradualmente inseriti.
La prima osservazione di onde gravitazionali è avvenuta il 14 settembre 2015 ed è stata annunciata dai progetti LIGO e Virgo l’11 febbraio 2016. Precedentemente le onde gravitazionali erano state dedotte solo indirettamente con i loro effetti sulla frequenza delle pulsar nei sistemi binari di stelle. Il 15 giugno 2016, LIGO e Virgo dopo le verifiche del segnale, hanno fatto l’annuncio congiunto di una seconda rilevazione. Un terzo segnale di onda gravitazionale è stato segnalato da LIGO. Un'analisi di estremo interesse ha mostrato le immagini della fusione di due buchi neri rispettivamente di 14.2 e 7.5 volte la massa del Sole, a una distanza di 1,4 miliardi di anni luce dalla Terra. Il buco nero risultante dall’unione aveva massa di 20.8, inferiore alla somma delle masse dei 2 buchi neri coinvolti, a causa dell’irradiazione di circa 1 massa solare, massa convertita in onde gravitazionali. Nelle 2 precedenti fusioni la perdita era stata del 4,6% del totale iniziale, rispetto all’attuale 4,1%.
Osservando sullo schermo i dati registrati dai 2 rivelatori di Livinstone e Handford durante l’ultimo secondo prima della fusione, le immagini ravvicinate mostrano una variazione di segnale legata al tempo e alla frequenza. Per essere certi di avere osservato una reale onda gravitazionale, si sono confrontati i dati dei rilevatori con una serie di modelli predefiniti, costruiti per studiare la fusione di sistemi binari. Si confronta la tensione delle onde gravitazionali visualizzate con le previsioni della forma d'onda meglio corrispondente (prevista dalla relatività generale… e calcolata dalla Buonanno), nei tre stadi dell'evento di fusione: spirale iniziale, fusione e buco nero finale (in rotazione) e man mano che si svolge l'evento di fusione, si vedono sullo schermo le oscillazioni correlate alla separazione dei buchi neri e alla variazione delle loro velocità! Grazie, signora che ascolta i sussurri dei buchi neri.
Guidare in auto lungo il braccio destro del rivelatore di onde gravitazionali Virgo richiede pochi minuti, un'eternità rispetto ai 10μsec richiesti alla luce laser per rilevare le deformazioni dello spazio-tempo nello stesso tratto. Virgo ha iniziato la ricerca delle onde gravitazionali nel 2007.
Nell'interferometro di Virgo, all'interno di 2 tubi a vuoto interrati di metallo lunghi ognuno 3 km, alloggiati in gallerie elevate, circolano avanti e indietro fasci laser. Come LIGO, questo sistema rileva un'increspatura nello spazio-tempo confrontando costantemente le lunghezze dei suoi due bracci per differenze inferiori a 1/10²¹. Tali interferometri sono però più corti di quelli da 4 km di LIGO, il che rende Virgo meno sensibile.
Gli interferometri non sono ugualmente sensibili in tutte le direzioni e hanno punti ciechi. I segnali delle onde gravitazionali sono condizionati dal rumore di fondo: un piccolo segnale in un solo interferometro è quasi certamente casuale e segnali simultanei in 2 interferometri possono ancora essere una coincidenza. Ma ottenere contemporaneamente segnali in 3 sistemi aumenta notevolmente le probabilità che si tratti di una vera deformazione dello spazio-tempo. Poiché i segnali provenienti da fonti più lontane sono più deboli, si stima che Virgo possa estendere la portata di LIGO del 12%, il che significherebbe poter monitorare il 40% in più del volume dell'universo. Con una triangolazione degli esatti tempi di arrivo dei futuri segnali dei 3 interferometri, i ricercatori saranno in grado di restringere la regione di almeno un fattore 5.
Questo è essenziale per gli astronomi che intendono cercare la luce visibile o un altro tipo di radiazione proveniente dalla stessa sorgente che ha emesso le onde gravitazionali. E la precisione dovrebbe migliorare ulteriormente da quando nel 2018 il KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) a Hida, Giappone, si è unito alla famiglia degli osservatori di onde gravitazionali.
Come Virgo, ha bracci di 3 km, ma ha 2 caratteristiche fondamentali per la riduzione del rumore che lo differenziano da LIGO e da Virgo: è il primo grande interferometro costruito sottoterra, con specchi tenuti a circa 20° sopra lo zero assoluto. Nel tempo, è previsto un nuovo membro della famiglia: LIGO-India, nello Stato di Maharashtra con replica degli impianti gemelli LIGO, in attesa del via libera del Governo per la costruzione.
(consultazione: rai news cultura; ait-s&t – fisica e matematica; f. zambino – germania innovazione giornalistica news; ansa redazione; physical review letters )
