“We have detected gravitational waves, we did it”. L’annuncio di David Reitze Executive Director del laboratorio LIGO è di quelli che fanno la storia. La collaborazione LIGO-VIRGO è riuscita, per la prima volta, a trovare prove dirette del passaggio di un’onda gravitazionale. Una scoperta che, nella comunità scientifica, è considerata di enorme importanza e, potenzialmente, degna di un Nobel in fisica anche già dall’anno prossimo. Il risultato, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters è stato appunto ottenuto dall’osservatorio americano LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e all’analisi dei dati ha collaborato il nostro osservatorio VIRGO, situato in provincia di Pisa, che collabora con LIGO da tempo.
Gli scienziati hanno osservato onde gravitazionali prodotte da due buchi neri che ruotavano l’uno intorno all’altro, rispettivamente di 29 e 36 masse solari a circa 1 miliardo e mezzo di anni luce di distanza, che si sono poi fusi insieme fino a creare un unico buco nero di 62 masse solari, quindi con una massa un po’ inferiore alla somma delle due. C’è stata una perdita di massa (e quindi di energia) a causa proprio dell’emissione di onde gravitazionali. L’evento, di incredibile potenza, ha infatti prodotto quelle onde che sono state captate da LIGO e che, per durata e altre caratteristiche tecniche, sono state subito riconosciute come onde gravitazionali.
Il 14 settembre 2015, LIGO ha captato due segnali: prima nella struttura di Livingston e poi, 7 millesimi di secondo dopo, lo stesso segnale in quella di Hanford.
L’affidabilità statistica dell’osservazione supera i 5 sigma, una misura che abbiamo imparato a conoscere nell’occasione della scoperta del bosone di Higgs e che, per gli scienziati, significa praticamente la certezza.

L’IMPORTANZA DELLA SCOPERTA
Il valore scientifico di questo lavoro è di enorme portata. “L’aspetto più importante di questa scoperta, a mio avviso, è il fatto che siamo riusciti a trovare dei buchi neri per la prima volta direttamente attraverso le dinamiche di spazi fortemente curvati giusto intorno all’orizzonte degli eventi. Il secondo motivo per cui questa scoperta è di importanza cruciale è il fatto che apre la strada a un’astronomia delle onde gravitazionali, con l’arrivo della buona notizia che abbiamo “a disposizione” per le nostre osservazioni di più segnali di buchi neri binari coalescenti 8cioè che si fondono) rispetto a quanto si pensasse finora. Gli impatti potrebbero essere enormi sul panorama dell’astrofisica e della cosmologia” spiega Thibault Damour, fisico francese dell’Institut des Hautes Études Scientifiques di Parigi, specializzato in Fisica Matematica e relatività Generale, scienziato insignito tra gli altri riconoscimenti della prestigiosa Einstein Medal nel 1996 e da molti considerato un futuro Premio Nobel.
Potrebbe verificarsi una vera e propria rivoluzione che potrebbe portare anche al superamento della stessa Teoria della Relatività Generale. “Potrebbero esserci anche ricadute notevoli sulla fisica teorica moderna, soprattutto se successive osservazioni potranno portare alla luce segnali di altro tipo da onde gravitazionali. Per esempio, segnali da buchi neri binari che entrano in disaccordo con la Relatività Generale (che potrebbe dunque significare che è necessario andare oltre Einstein); una seconda possibilità potrebbe essere il caso in cui  la collaborazione Ligo-Virgo scoprisse dei burst (“esplosioni”) di onde gravitazionali da cuspidi di stringhe cosmiche, la cui esistenza è stata già scoperta in un mio lavoro del 2000. Se si riuscissero a trovare burst di onde gravitazionali da stringhe fondamentali (ossia quelle della teoria delle superstringhe) ci sarebbe un grande impatto sulla fisica teorica”. “La coalescenza di buchi neri era stata finora ipotizzata teoricamente ma mai osservata – aggiunge Giuseppe Longo, astrofisico dell’Università Federico II di Napoli – non essendo però stata dedotta la direzionalità dell’evento che ha prodotto le onde, non sappiamo dove si sia verificato con precisione e si parla di una probabile collocazione in direzione delle Nubi di Magellano. Sappiamo con certezza solo solo quello che è successo.
Quando tutte le antenne saranno attive e la tecnologia sarà migliorata, questi strumenti diventeranno anche direzionali e quindi si potranno trovare i precursori ottici di questi fenomeni, con enorme impatto su tutta l’astrofisica”. La fusione dei due buchi neri che ha permesso di registrare onde gravitazionali così imponenti sembra essere stato un evento molto raro. Ma nonostante questo, d’ora in poi potrebbero essere registrati sempre più fenomeni di questo genere. “Una volta che uno sa che una cosa esiste è molto più facile osservarla. Saranno trovate altre onde gravitazionali legate a cataclismi cosmici come quello. Sicuramente questo sarà uno dei filoni principali della ricerca in astrofisica nei prossimi vent’anni” commenta Longo.
La prima prova diretta dell’esistenza delle onde gravitazionali era considerato uno dei santi Graal  della fisica. Ce ne sono comunque ancora molti altri in giro. “Le prossime sfide della fisica – spiega Damour – riguardano la scoperta di particelle supersimmetriche, al Cern, o di una seconda particella di Brout-Englert-Higgs, la comprensione dell’energia oscura, la scoperta di particelle di materia oscura in laboratorio. Personalmente, spero anche che la missione satellitare MICROSCOPE, che partirà ad aprile, ci porti a scoprire una violazione del principio di equivalenza, ossia della famosa idea di Galileo secondo cui tutti i corpi cadono allo stesso modo. Questo potrebbe aprire nuove prospettive nella fisica teorica attuale”.

COSA SONO LE ONDE GRAVITAZIONALI
Le onde gravitazionali sono l’ultimo tassello ancora da dimostrare della Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein. Teoria che, in verità, da quando è stata pubblicata nel 1916 ha trovato numerosi, convincenti riscontri. L’osservazione diretta di un’onda gravitazionale, tuttavia, non era finora mai arrivata. Il geniale fisico tedesco ne ipotizzò l’esistenza in una nota presentata il 22 giugno 1916 alla Reale Accademia Prussiana delle Scienze intitolata “Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation” (integrazione approssimata delle equazioni del campo gravitazionale), in occasione dell’adunanza della sua classe fisico-matematica a Berlino.
Da allora, la nostra visione dell’Universo è stata sconvolta. La gravità diventava niente altro che l’effetto di una curvatura dello spazio-tempo. Un punto di vista molto particolare per capire il quale spesso si fa ricorso al classico esempio secondo cui lo spazio è costituito da una sottile rete sulla quale sono poggiati i corpi celesti, che a causa della loro massa la incurvano generando la forza di gravità. Se immaginiamo poi che questo tessuto sia “abbastanza” elastico, un corpo celeste che improvvisamente cominciasse a muoversi – per esempio su e giù – produrrebbero delle increspature su di esso, delle onde, che si propagherebbero a distanza. Un esempio del genere ci può aiutare a capire cosa sono le onde gravitazionali. E ci fa capire che qualunque corpo venga raggiunto da quell’onda può, anche a distanza, avere informazioni sulla sua sorgente.
Per avere onde gravitazionali, in ogni caso, occorre trovarsi di fronte a corpi massicci e cambiamenti del campo gravitazionale (il movimento su e giù). La materia deforma infatti lo spazio in cui si trova e, quando la materia si sposta, queste deformazioni si propagano sotto forma di onde (che viaggiano alla velocità della luce). Con Einstein, la gravità perde dunque le caratteristiche di una forza classica e diventa una deformazione del continuo spazio-temporale.
Quali sono gli effetti del passaggio di un’onda gravitazionale? Quello che si sa, dalla teoria, è che alterano temporaneamente la metrica dello spazio-tempo, ossia producono variazioni nella distanza relativa di due oggetti. Una massa investita da radiazione gravitazionale rimane nella situazione di moto precedente, ma viene deformata. Di quanto? Qui cominciano le dolenti note. L’effetto è piccolissimo: lo spostamento prodotto da un’onda gravitazionale è infinitesimo, dell’ordine di 10-21 metri per ogni un metro, un miliardesimo di nanometro su un chilometro, ossia una lunghezza un milione di volte inferiore alle dimensioni di un protone.
Una difficoltà enorme nella ricerca delle onde gravitazionali è costituita dal fatto che non le possiamo studiare in laboratorio. Dovremmo essere infatti capaci di costruire un oggetto così grande e massiccio da produrre un campo gravitazionale talmente forte che, nel momento in cui lo facciamo variare, genera onde gravitazionali misurabili dagli attuali strumenti. Un’impresa praticamente impossibile. Quello che si preferisce fare, invece, è tentare di osservare le onde gravitazionali prodotte da oggetti astronomici giganteschi che variano il proprio campo gravitazionale in eventi molto rapidi come il moto di sistemi binari di stelle (magari formati da due pulsar), di buchi neri o l’esplosione di stelle come supernove e la conseguente formazione di stelle di neutroni o buchi neri. O addirittura le onde generate durante il Big Bang. Gli eventi che possono produrre onde gravitazionali che i nostri strumenti sarebbero in grado di avvertire sono in ogni caso molto rari e si stima che si possano verificare avvengano una volta ogni 10.000 anni per galassia.
Le onde gravitazionali interagiscono poi pochissimo con la materia (possono attraversare la Terra senza sensibile assorbimento). Questo fatto, se costituisce il motivo della difficoltà nella rivelazione di questa radiazione, è anche alla base dell’interesse degli astrofisici per essa. Infatti le onde gravitazionali potrebbero farci avere informazioni su cose come i centri delle galassie, l’interno delle stelle o anche i primi istanti di vita dell’Universo, a differenza delle emissioni elettromagnetiche che solitamente vengono in gran parte assorbite e quindi ci sfuggono.

STORIA DI UNA CACCIA IPERTECNOLOGICA
Per rivelare le onde gravitazionali sono stati studiati vari dispositivi che si “accorgono” della deformazione dello spazio circostante causata dal loro passaggio. Tra i primi strumenti si ricordano le antenne risonanti nelle quali un cilindro di alluminio o altro materiale elastico, con un peso che va da pochi chili ad alcune tonnellate entra in oscillazione quando investito da un’onda gravitazionale. La vibrazione meccanica viene trasformata in un segnale elettrico amplificato che viene analizzato da un computer.
Il pioniere nella ricerca delle onde gravitazionali è stato Joseph Weber che nel 1968 documentò alcune coincidenze tra due rivelatori, uno posto nel Laboratorio Nazionale di Argonne, Illinois, e uno nell’Università del Maryland di Baltimora a un migliaio di chilometri dal primo. Weber sostenne che le due antenne risonanti estremamente sensibili allo spostamento di masse, in alcuni mesi di osservazione, fecero registrare in media una volta al mese (per un totale di 17 eventi) un’eccitazione meccanica potenzialmente causata dall’arrivo di onde gravitazionali e pubblicò i risultati della sua analisi sulla rivista Physical Review Letters. L’esperimento è stato in seguito screditato in più punti ma è servito da stimolo, in tutto il mondo, per nuovi esperimenti di questo tipo (che tuttavia non avranno esito positivo).

LA CONFERMA INDIRETTA
Negli anni Settanta arriva la prima conferma, sebbene indiretta, dell’esistenza delle onde gravitazionali. Ad arrivarci sono Joseph Taylor (oggi al dipartimento di fisica dell’Università di Princeton) e Russell Hulse, nel 1974. Due anni prima, alla University of Massachusetts Amherst, Taylor aveva incontrato l’appena laureato Hulse iniziando una collaborazione che li avrebbe portati alla scoperta di una stella pulsar binaria. Per questo risultato, i due riceveranno il Nobel per la Fisica nel 1993.
Nel 1974 i due iniziarono una ricerca sistematica delle pulsar utilizzando il radiotelescopio di Arecibo a Portorico e in pochi mesi scoprirono 40 nuovi oggetti. Tra questi spiccava la pulsar PSR 1913+16, che emetteva circa 17 impulsi al secondo ma con un periodo che variava anche fino a 80 microsecondi da un giorno all’altro. Il segnale, cioè, era a volte più frequente, a volte assai meno, fatto assai strano visto che le pulsar sono molto regolari.
La più semplice interpretazione era che la pulsar stesse orbitando intorno a un’altra stella, a distanza ravvicinata e ad alta velocità. Gli astronomi capirono che il sistema era destinato a fondersi perché le orbite non erano stabili ma stavano lentamente avvicinandosi a causa di una perdita di energia. La perdita di energia delle orbite stellari non si spiegava in alcun modo se non con l’emissione di grandi quantità di onde gravitazionali, seguendo con grande precisione le previsioni della Teoria della Relatività Generale di Einstein.
Trovata la conferma indiretta, si andò a caccia di quella diretta con sempre maggiore energia. A essere protagoniste erano ancora le antenne, che venivano tenute a temperature più basse possibili per eliminare i più piccoli “rumori” di disturbo, anche quelli che potevano provenire dalla stessa agitazione termica molecolare del materiale con cui erano fabbricate. Tra la metà degli anni Ottanta e i primi anni Novanta, entrò in funzione l’antenna criogenica EXPLORER, collocata al CERN: un cilindro di alluminio di 2300 chilogrammi, lungo 3 metri e con un diametro di 60 centimetri che operava alla temperatura di appena due gradi Kelvin (due gradi sopra lo zero assoluto) grazie a elio liquido. Una barra di alluminio simile, ma con un peso di 2770 chilogrammi, fu poi installata nel 1992 ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN: il rivelatore NAUTILUS poteva raggiungere rla temperatura record di 0,1 gradi Kelvin. Si venne a formare una rete internazionale di rivelatori di questo tipo che includeva anche AURIGA che si trovava nei laboratori dell’INFN a Legnaro – il cui cuore è una barra di alluminio lunga 3 metri e pesante 2 tonnellate, retta da un complesso sistema di sospensioni che isolano dal rumore esterno, il tutto sotto vuoto spinto e alla temperatura di 4 gradi sopra lo zero assoluto – e ALLEGRO, il rivelatore della Louisiana State University di Baton Rouge, Louisiana, che venne installato nei primi anni Novanta e che è andato in pensione nel 2007.

LA SVOLTA DEGLI INTERFEROMETRI
La grande svolta tecnologica si è avuta con gli interferometri, nei quali per misurare variazioni di spazio infinitesimale viene sfruttata la luce. Il principio dell’interferometro è semplice: un raggio di luce viene diviso in due raggi identici che compiono percorsi molto lunghi e diversi, generalmente l’uno perpendicolare all’altro. Visto che la velocità di percorrenza è fissata, se cambia anche di pochissimo lo spazio percorso da uno dei due raggi, a causa della presenza di un’onda gravitazionale, quando si ricongiungono non si troveranno più perfettamente in fase. Maggiore è lo spazio di misurazione, maggiore è la deformazione spaziale misurabile, è per questo che gli apparati in grado di rilevare le onde gravitazionali devono far percorrere alla luce, grazie anche a degli specchi, un cammino di diverse decine di chilometri.
Questa nuova tecnologia si concretizza nella nascita, nel 2002, dell’osservatorio statunitense LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). In questo caso viene sfruttata l’interferometria laser per rilevare le minuscole increspature dello spazio-tempo causate da eventi catastrofici come la fusione di una coppia di stelle di neutroni o di buchi neri. LIGO è composto da due interferometri separati che operano in due punti diversi degli Stati Uniti, a Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. LIGO è “figlio” del California Institute of Technology e del Massachusetts Institute of Technology e, attualmente, la collaborazione scientifica LIGO coinvolge oltre scienziati da più di 80 istituzioni scientifiche nel mondo. Dal 2002 al 2010, purtroppo, LIGO non riesce a rilevare alcuna onda gravitazionale.
Alla fine del 2003 anche l’Italia inizia la ricerca con interferometri. Arriva l’apparato Virgo, che con i suoi due bracci perpendicolari lunghi 3 chilometri è ospitato dal comune di Cascina, in provincia di Pisa. Virgo è il risultato della collaborazione tra l’INFN e il francese Centre National de la Recherche Scientifique. Quello che mira a rilevare sono soprattutto gli effetti delle onde gravitazionali generate da supernovae e sistemi binari nell’ammasso stellare nella costellazione della Vergine (e da qui deriva il suo nome).
I fasci laser viaggiano 50 volte avanti e indietro prima di ricombinarsi all’uscita dell’interferometro dove viene misurata la differenza di fase accumulata. La previsione è che le onde gravitazionali dovrebbero distorcere i 3 chilometri di spazio tra gli specchi di circa 10-18 metri. Da un paio d’anni, Virgo è fermo per lavori di potenziamento, ma entro la fine del 2016 dovrebbe ricominciare a funzionare, nella nuova configurazione di advancedVirgo.
È a marzo 2014 che (quasi) si grida al successo. La prova diretta non viene dagli interferometri ma da un esperimento in Antartide. Parliamo di BICEP 2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) il cui team di ricerca afferma di aver trovato un effetto delle onde gravitazionali sulla radiazione cosmica di fondo, che sarebbe che resta della “prima luce” dell’Universo formatasi 380 mila anni dopo il Big Bang quando il caldissimo e denso plasma che lo costituiva si raffreddò abbastanza da permette la formazione degli atomi di idrogeno liberando un’immensa quantità di fotoni. Il telescopio BICEP 2 si trova tra i ghiacci dell’Antartide e avrebbe notato una particolare polarizzazione della radiazione cosmica di fondo (ossia una particolare direzione di oscillazione del segnale radio) riconducibile a onde gravitazionali primordiali prodotte durante l’inflazione (il periodo in cui, 10 alla meno 34 secondi dopo il Big Bang, lo spazio-tempo avrebbe vissuto una violentissima espansione).
Qualcuno avanza dubbi circa questa osservazione già a settembre 2014 e a febbraio 2015 arriva la smentita. Il team del telescopio spaziale Planck dell’ESA arriva alla conclusione che le analisi sarebbero state falsate da polvere galattica, che avrebbe provocato le emissioni scambiate per le “impronte” delle onde gravitazionali primordiali.
Alla fine di settembre 2015, arriva un ulteriore segnale scoraggiante. Il telescopio Parkes del CSIRO, dopo undici anni di osservazioni, documenta di non aver trovato alcuna traccia di onde gravitazionali.
Gli astronomi hanno cercato, in particolare, tracce di onde prodotte dalla fusione di galassie i cui buchi neri al centro potrebbero venire a formare una coppia orbitante. Gli scienziati hanno studiato le emissioni di una serie di pulsar millisecondi, che sono piccole stelle che producono impulsi radio molto regolari. I ricercatori hanno registrato i tempi di arrivo di questi segnali sulla Terra, con una precisione di dieci miliardesimi di secondo, con la speranza di notare delle alterazioni dovute all’interferenza di onde gravitazionali di passaggio tra la pulsar e il nostro Pianeta. Purtroppo, però, in undici anni di osservazioni non è stata notata nessuna alterazione.

IL POTENZIAMENTO DI LIGO E IL SUCCESSO
Ma, sempre a settembre 2015, LIGO inizia un nuovo ciclo di osservazioni, dopo aver migliorato la sua sensibilità di circa quattro volte ed essere diventato Advanced LIGO (aLIGO), con un ulòteriore un ulteriore potenziamento intorno al 2021. Cominciano a circolare rumor che le onde gravitazionali sarebbero finalmente state trovate. Lo scorso 12 gennaio è terminata la raccolta dati del primo run di aLIGO, quella a cui si riferisce l’eccezionale scoperta di oggi.
Per le onde gravitazionali, però, non è stata ancora scritta l’ultima parola. La caccia continua, anche nello spazio. Il 3 dicembre 2015 è stato lanciato il satellite europeo LISA Pathfinder dalla base di Kourou nella Guyana francese: la sua missione è testare la fattibilità tecnologica di un osservatorio di onde gravitazionali nello spazio. La sonda è stata realizzata dall’ESA (Agenzia Spaziale Europea) con il contributo dell’ASI (Agenzia Spaziale Italiana), l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e l’Università di Trento. LISA Pathfinder verificherà il potenziale funzionamento delle tecnologie della missione eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna), primo osservatorio spaziale al mondo dedicato alle onde gravitazionali, dal costo di due miliardi di euro, il cui lancio è pianificato per il 2034.