13 risposte per conoscere le onde gravitazionali

1) Che cos'è Virgo?

Virgo è uno strumento progettato per rivelare le onde gravitazionali. Si tratta di un interferometro laser composto da due bracci perpendicolari lunghi 3 km; è il più grande strumento di questo tipo in Europa ed il terzo nel mondo. Il suo nome deriva da un ammasso di 1500 galassie, nella costellazione della Vergine, situato a circa 50 milioni di anni luce dalla terra. Questo era l’obiettivo
sulla distanza da raggiungere per lo strumento nella sua prima versione. Il rivelatore Virgo si trova all’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO – European Gravitazional Observatory), presso Pisa, in Italia, ed è finanziato principalmente dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese e dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano. Nel 2006 l’istituto olandese Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) si è unito alla collaborazione italofrancese VIRGO, con importanti contributi alla realizzazione dell’interferometro. Più recentemente, nel 2008, il gruppo POLGRAW di Varsavia e nel 2010 il Wigner RCP (in precedenza MTA KFKI RMKI) di Budapest si sono uniti alla collaborazione VIRGO.

2) Cosa sono le Onde Gravitazionali?

Le onde gravitazionali sono ondulazioni dello spaziotempo che si propagano nell’Universo alla velocità della luce. Queste onde sono generate dai più violenti fenomeni astrofisici, come la fusione di stelle di neutroni e di buchi neri, o l’esplosione di stelle massicce come supernovae. Le onde gravitazionali sono una delle conseguenze della teoria della Relatività Generale, pubblicata da Albert Einstein circa un secolo fa, alla fine del 1915. Tuttavia soltanto negli ultimi decenni abbiamo acquisito le tecnologie necessarie per costruire strumenti progettati per la rivelazione diretta delle onde gravitazionali sulla terra e sufficientemente sensibili, come Virgo.

3) Abbiamo evidenze dell’esistenza delle onde gravitazionali?

Ci sono diverse evidenze indirette dell’esistenza delle onde gravitazionali. La più importante è basata sull’osservazione di PSR B1913+16, una pulsar in orbita attorno ad un’altra stella compatta. Le pulsar sono stelle di neutroni altamente magnetizzate, che ruotano velocemente ed emettono radiazione elettromagnetica (dalle onde radio ai raggi gamma), che appare pulsata come conseguenza della rotazione, come dei fari nello spazio. Misurando l’evoluzione degli impulsi della PSR B1913+16 per tre decenni, si è visto che l’orbita della pulsar si sta lentamente contraendo. La velocità di variazione del periodo orbitale è in eccellente accordo con le previsioni della relatività generale: il sistema binario sta lentamente perdendo energia emettendo onde gravitazionali.

4) Le onde gravitazionali sono diverse dalle onde elettromagnetiche?

Si, la natura di questi due tipi di onde è completamente diversa, anche se i “meccanismi” di generazione sono simili. Le onde gravitazionali sono ondulazioni dello spaziotempo generate da masse in moto accelerato. Le onde elettromagnetiche sono ondulazioni del campo elettromagnetico generate da cariche elettriche in moto accelerato, per esempio da una corrente che scorre in un'antenna. Oltre alla loro diversa origine, questi due tipi di onde agiscono su entità fisiche assolutamente diverse: le onde gravitazionali sulla geometria dello spaziotempo, le onde elettromagnetiche sulle cariche elettriche. Inoltre la gravitazione è molto più debole
dell’elettromagnetismo; gli effetti delle onde gravitazionali previsti sulla terra sono estremamente deboli, cosicché per rivelarle sono necessari appositi strumenti assai complessi, come Virgo.

5) Quali sono le sorgenti previste per le onde gravitazionali?

Nessuna sorgente sulla Terra sarebbe capace di generare onde gravitazionali così grandi da essere rivelate da Virgo, ma molti violenti fenomeni nell’Universo potrebbero generare segnali rivelabili. Per esempio i modelli prevedono che segnali transienti di onde gravitazionali potrebbero essere prodotti durante la fusione di due corpi celesti compatti, come stelle di neutroni e buchi neri, o durante l’esplosione di una supernova. Inoltre ci si aspettano onde gravitazionali periodiche dalla rotazione di stelle di neutroni asimmetriche. Si prevede anche un fondo casuale di onde gravitazionali emesse negli istanti immediatamente seguenti il Big Bang. Infine può esistere anche una nuova schiera di oggetti astrofisici ancora sconosciuti, emettitori di onde gravitazionali e non di luce o di altre onde elettromagnetiche.

6) Perchè gli scienziati cercano le onde gravitazionali?

Rivelare onde gravitazionali aprirà una nuova finestra sul cosmo. Le onde gravitazionali sono messaggeri complementari alle osservazioni astronomiche, fino ad oggi effettuate con radiazione elettromagnetica di diverse frequenze, compresa la luce visibile e le onde radio, e con raggi cosmici e neutrini. La rivelazione diretta di onde gravitazionali fornirà, inoltre, un ulteriore potente test della relatività generale di Einstein. Questa teoria spiega la gravità come curvatura dello spaziotempo, ma è stata provata soltanto in condizioni di forza gravitazionale debole, come nel sistema solare. Le onde gravitazionali sono una sonda unica per la gravità in condizioni estreme, come nella rapida fusione di due oggetti compatti, come stelle di neutroni e buchi neri. La rivelazione e lo studio delle onde gravitazionali sarà fondamentale per comprendere più profondamente la natura della gravitazione.

7) Come funziona Virgo?

Secondo la relatività generale, il passaggio di un’onda gravitazionale induce una debolissima deformazione variabile nel tessuto dello spaziotempo. Per rivelare tale deformazione, si osserva l’interferenza fra le due metà di un raggio laser, che si propagano in due direzioni perpendicolari. L’onda gravitazionale modificherà in modo diverso i cammini ottici nei due bracci, inducendo una variazione nell’interferenza registrata all’uscita del rivelatore. Questa configurazione ottica è denominata interferometro alla Michelson (originariamente inventata nel XIX secolo per misurare la diversa velocità della luce nelle varie direzioni) e dà la possibilità di osservare minuscole deformazioni spaziali, come quelle prodotte dalle onde gravitazionali. Gli effetti delle onde gravitazionali sono attesi essere così piccoli che possono essere nascosti da molte sorgenti di segnali spuri, detti rumori di fondo. La capacità di ridurre il più possibile questi rumori è una caratteristica fondamentale per Virgo.

8) Quali sono le principali sorgenti di rumore per Virgo?

Il rumore ha molte origini e potrebbe generare falsi segnali in tutto l’intervallo di frequenza coperto da Virgo. Un primo esempio di queste fonti di disturbi è dato dal rumore sismico: le vibrazioni del terreno generate dalle onde del mare, le attività umane o altri effetti come i microsismi naturali. C’è anche il rumore termico, dovuto alle vibrazioni delle superfici degli specchi causate dall’agitazione termica delle molecole. Alcuni altri rumori sono legati a effetti di fisica fondamentale, come il cosiddetto shot noise, dovuto alla natura quantistica della luce del laser. Per osservare il passaggio di onde gravitazionali è necessario ridurre il più possibile tutti questi rumori mediante un’accurata progettazione e l’uso di tecnologie innovative.

9) Esistono altri strumenti simili a Virgo?

Oggigiorno esiste una prima rete di interferometri gravitazionali sulla Terra. Infatti avere più di un rivelatore è fondamentale per rigettare i segnali spuri dovuti ai rumori locali e per individuare la posizione delle sorgenti nel cielo. Oltre a Virgo, ci sono i due interferometri con bracci di 4 km del Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO), costruiti negli Stati Uniti ad Hanford, nello stato di Washington, ed a Livingston, in Louisiana. Anche LIGO è stato sottomesso ad un generale miglioramento ed i rivelatori di Advanced LIGO hanno ripreso le osservazioni nel settembre 2015. C’è anche l'interferometro GEO600, vicino ad Hannover, con bracci di 600 m. Un quinto interferometro, KAGRA, è in costruzione sotto una montagna, nella miniera di Kamioka, in Giappone, e le prime osservazioni sono pianificate per il 2018. La collaborazione LIGO sta anche programmando l’installazione di un ulteriore interferometro, con bracci di 4 km, in India, nell’ambito del progetto LIGO-India.

10) Possiamo identificare le sorgenti cosmiche di onde gravitazionali?

L’informazione fornita dalla rete formata da LIGO e Virgo permetterà una grossolana identificazione della posizione delle sorgenti di onde gravitazionali nel cielo, con un’incertezza maggiore del diametro della luna piena. Sono stati stabiliti accordi di collaborazione con telescopi sensibili alle varie lunghezze d’onda elettromagnetiche ed ai neutrini. Quando un candidato evento di onda gravitazionale viene identificato, questi strumenti esplorano la potenziale posizione nel cielo per cercare possibili controparti ottiche, X, gamma, o radio. L’osservazione simultanea di onde gravitazionali e segnali elettromagnetici potrebbe permettere una molto migliore localizzazione ed identificazione della sorgente astrofisica ed un molto più profondo studio dei violenti processi all’origine di questi segnali.

11) Cos'è EGO?

L’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO - European Gravitational Observatory) è un consorzio italo-francese fondato con un accordo fra il Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano. Questi due istituti finanziano paritariamente il Consorzio, dalla sua fondazione, nel dicembre 2000, e durante il completamento di Virgo ed il suo funzionamento, dal 2003 al 2011. Il Consorzio partecipa oggi al miglioramento di Virgo e continuerà ad operare nei prossimi anni, durante la raccolta di dati. Dal 2009 il Consorzio ha accolto nel suo Consiglio, come “osservatore”, il Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) olandese. Il sito di EGO, presso Cascina, in provincia di Pisa, comprende l’area occupata dall’interferometro Virgo e dalle annesse strutture. Il principale compito di EGO è di assicurare il completamento di Advanced Virgo, di garantire il suo funzionamento e miglioramento, nonché l’utilizzo dei dati scientifici raccolti. EGO è integrato alla Collaborazione Virgo fornendo sostegno all’esperimento e mantenendo il sito e le infrastrutture. EGO, infine, ha anche il compito di promuovere la fisica gravitazionale in Europa.

12) Quali sono i risultati raggiunti da Virgo fino a oggi?

Il rivelatore iniziale Virgo ha raggiunto la sensibilità di progetto ed ha dimostrato l’adeguatezza delle scelte tecnologiche e degli sviluppi fatti. Virgo ha raccolto dati assieme a LIGO durante molti mesi, fra il 2007 ed il 2010, iniziando a mettere interessanti limiti al numero di eventi astrofisici attesi in un anno. L’ultima raccolta di dati ha avuto luogo nel 2011, per esplorare l’intervallo delle basse frequenze, alla ricerca dei segnali dovuti a stelle di neutroni ruotanti. Questo è stato possibile mediante un riuscito test anticipato di una tecnologia sviluppata per Advanced Virgo: la sospensione “monolitica” degli specchi. Essa consiste nel sospendere gli specchi mediante

13) Si può visitare il sito di Virgo?

Certamente, tutti sono benvenuti! Normalmente la visita è guidata da uno scienziato ed inizia con un seminario introduttivo, seguita dalla visita vera e propria alle diverse parti dello strumento. La priorità è data alle scuole superiori, alle istituzioni accademiche ed ai giornalisti. Anche associazioni, gruppi di persone, o chiunque sia interessato è caldamente invitato a scoprire l’interferometro e le sue ricerche. Mediante il nostro sito WEB si possono anche effettuare visite “virtuali”, guardando i numerosi video e fotografie disponibili nella galleria multimediale. Si può anche partecipare ad una delle giornate “porte aperte” organizzate ogni anno. Le visite avvengono preferibilmente di sabato e devono essere prenotate al segretariato scientifico di EGO