Fisica Semplice · Asimmetrie n.5 · settembre 2007
Lo spaziotempo
che trema
Costruire macchine per ascoltare qualcosa che non è mai stato sentito. Nel 2007, l’Italia era in prima fila.
Einstein predisse le onde gravitazionali nel 1916. Poi ci ripensò: passò anni a convincersi che fossero un artefatto matematico, non qualcosa di reale. Morì nel 1955 senza aver risolto il dubbio. Eppure aveva ragione. Il numero 5 di Asimmetrie, uscito nell’autunno del 2007, racconta la storia delle persone che stavano costruendo le macchine per dimostrarlo.
Onde che increspano
lo spazio stesso.
La teoria della relatività generale descrive la gravità come una curvatura dello spaziotempo. Immagina un lenzuolo teso: se ci metti sopra una palla pesante, il tessuto si deforma. Un’altra palla più piccola, messa vicino, rotolerà verso la prima — non perché si attraggono direttamente, ma perché seguono la curvatura del tessuto. Così funziona la gravità secondo Einstein.
Le onde gravitazionali sono increspature di questo tessuto. Quando due oggetti molto massicci — due buchi neri, due stelle di neutroni — orbitano l’uno intorno all’altro e poi si fondono, emettono energia sotto forma di onde che si propagano nello spazio alla velocità della luce. Queste onde comprimono e stirano lo spazio mentre passano: tutto ciò che incontrano — pianeti, atomi, regoli di acciaio — si allunga leggermente in una direzione e si accorcia nell’altra.
Il problema è quanto leggermente. Per un’onda gravitazionale prodotta dalla fusione di due buchi neri a un miliardo di anni luce di distanza, l’allungamento atteso su un rivelatore di quattro chilometri è dell’ordine di un decimillesimo del diametro di un protone. Luciano Rezzolla, dell’Istituto Albert Einstein di Potsdam, spiega su Asimmetrie come tradurre questo in numeri concreti: l’ampiezza relativa è circa 10−21. Questo significa che una distanza di un anno luce si allunga o accorcia di circa un centesimo di millimetro.
Non è un segnale debole. È il segnale più debole che la fisica abbia mai provato a misurare. E per farlo serve una tecnica chiamata interferometria laser: dividere un raggio di luce in due, mandarlo lungo due bracci perpendicolari, farlo rimbalzare e ricombinarlo. Se le due traiettorie sono identiche, le onde si cancellano. Se uno dei bracci si allunga anche solo di un decimillesimo di protone, il pattern di interferenza cambia. Quella variazione è l’onda gravitazionale.
La prova indiretta
PSR 1913+16 — nel 1974, Russell Hulse e Joseph Taylor scoprono una pulsar binaria: due stelle di neutroni che orbitano l’una intorno all’altra. Il periodo orbitale diminuisce nel tempo esattamente come prevede la relatività generale se le stelle perdono energia emettendo onde gravitazionali.
Nel 1993 Hulse e Taylor ricevono il Nobel per la fisica. È la prima prova — indiretta, ma precisa — che le onde gravitazionali esistono davvero.
Quattro macchine italiane
in ascolto.
Nel 2007 l’Italia era tra i protagonisti mondiali della ricerca sulle onde gravitazionali. Quattro rivelatori, due tecnologie diverse, sparsi tra Pisa, Padova, Frascati e Ginevra.
Virgo è il più grande: un interferometro con bracci di tre chilometri, costruito vicino a Cascina, in provincia di Pisa, in collaborazione con la Francia. I bracci sono tubi sottovuoto — il vuoto migliore prodotto dall’umanità su quella scala — percorsi da fasci laser che rimbalzano sugli specchi con una riflettività del 99,999%. Gli specchi stessi pesano 21 chili e sono sospesi a una catena di pendoli — i superattenuatori — progettati per isolarli dalle vibrazioni sismiche fino a un miliardesimo. Carlo Bradaschia dell’INFN descrive su Asimmetrie come ogni elemento del sistema sia stato spinto fino al limite di ciò che la tecnologia del 2007 consentiva.
Accanto a Virgo ci sono i rivelatori a barra risonante: una tecnologia diversa, più antica, altrettanto sofisticata. Invece di misurare la differenza tra due percorsi di luce, le barre risonanti usano cilindri di metallo che vibrano quando un’onda gravitazionale li attraversa, come una campana colpita da un martello invisibile. Il trucco è raffreddare queste barre a temperature vicine allo zero assoluto — tra 0,1 e 0,2 kelvin — per eliminare il rumore termico.
Auriga — Laboratori Nazionali di Legnaro (Padova). Barra di alluminio superconduttore, 2100 kg, raffreddata a 0,1 K.
Nautilus — Laboratori Nazionali di Frascati (Roma). Barra raffreddata a 0,1 K, operativa dal 1994.
Explorer — CERN di Ginevra. Il più longevo della rete italiana, operativo dal 1990.
I tre rivelatori a barra formano una rete che Eugenio Coccia chiama “sentinella galattica”: coprono un’area abbastanza grande da rilevare segnali da tutta la Via Lattea. Se una stella di neutroni collassasse nella nostra galassia, questi tre rivelatori lo saprebbero.
Quando la Terra è troppo rumorosa.
I rivelatori terrestri come Virgo hanno un limite fisico: la Terra stessa trema. Il vento, il mare, il traffico, le maree — tutto produce rumore sismico che i superattenuatori possono ridurre ma non eliminare del tutto. Per frequenze molto basse — sotto il decimo di hertz — è impossibile costruire rivelatori abbastanza grandi e stabili sul pianeta.
La soluzione si chiama LISA — Laser Interferometer Space Antenna. Tre satelliti in formazione triangolare, a cinque milioni di chilometri di distanza l’uno dall’altro, in orbita intorno al Sole. Dentro ogni satellite, una massa di oro-platino in caduta libera — isolata completamente da qualsiasi forza non gravitazionale. I laser misurano le distanze tra le tre masse con una precisione di pochi picometri.
Con LISA si potrebbero ascoltare sorgenti completamente diverse: i buchi neri supermassicci al centro delle galassie che si fondono, i sistemi binari di stelle di neutroni nella Via Lattea, forse persino il rumore di fondo cosmologico — un’eco delle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang. Stefano Vitale descrive su Asimmetrie come la missione precursore — Lisa Pathfinder — avrebbe testato la tecnologia chiave: tenere una massa in vera caduta libera nello spazio.
Lo spazio come laboratorio — LISA avrebbe bracci cinque milioni di volte più lunghi di Virgo
Un dettaglio che sorprende
Le sorgenti di onde gravitazionali più energetiche non emettono luce. I buchi neri non brillano. La fusione di due buchi neri di trenta masse solari produce in un decimo di secondo più energia di tutte le stelle dell’universo osservabile messe insieme — ma tutto sotto forma di onde gravitazionali, invisibili ai telescopi. Le onde gravitazionali sono l’unico modo per “vedere” questi eventi.
Leggere un numero scritto
prima che trovassero la risposta.
Asimmetrie n.5 è del settembre 2007. È scritto interamente al futuro: quando rileveremo, se riusciremo a misurare, i prossimi anni ci diranno. La sensazione, leggendolo oggi, è quella di leggere i quaderni di qualcuno che stava cercando qualcosa e non sapeva ancora di essere sulla strada giusta.
Il 14 settembre 2015, alle 5:51 di mattina ora italiana, i rivelatori LIGO di Livingston e Hanford percepirono uno spostamento di un millesimo del diametro di un protone. Erano due buchi neri di 36 e 29 masse solari che si fondevano a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. L’evento si chiama GW150914. Fu il segnale che tutti i fisici di questo numero avevano passato la carriera ad aspettare.
Due anni dopo, nel 2017, Virgo — il rivelatore vicino a Pisa, quello descritto su queste pagine, con i suoi superattenuatori e gli specchi da 21 chili — contribuì a localizzare la sorgente di GW170817: due stelle di neutroni che si fondevano a 130 milioni di anni luce. Per la prima volta nella storia, lo stesso evento cosmico veniva osservato con le onde gravitazionali e con la luce — dai telescopi di mezzo mondo puntati nella stessa direzione.
Quello che mi colpisce, rileggendo Asimmetrie n.5 oggi, è il tono: nessuna certezza, ma nessuna disperazione. I fisici che descrivono le loro macchine parlano di un lavoro in corso, di un segnale che può arrivare domani o tra vent’anni. Non sanno che arriverà tra otto. E scrivono comunque con la stessa precisione, la stessa cura, come se sapere la risposta fosse meno importante del fatto di stare guardando nel posto giusto.
Asimmetrie —
gratuita, due volte l’anno.
La rivista dell’INFN è disponibile gratis in formato digitale e cartaceo. Questo è il numero 5: scaricalo e leggi gli originali — i fisici scrivono meglio di quanto pensi.
Andrea Camilleri visitò i Laboratori del Gran Sasso e scrisse che aveva provato “la sensazione vertiginosa di avere l’infinito a portata di mano.” Morì nel luglio del 2019, tre anni dopo che LIGO aveva annunciato GW150914. Aveva fatto in tempo a sapere che avevano sentito qualcosa. Non so se l’abbia saputo.
Alberto
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