Dieci anni di onde gravitazionali

Il 14 settembre 2015, dieci anni fa, è arrivato sulla Terra un segnale generato da una coppia di buchi neri che, dopo aver spiraleggiato uno attorno all’altro a velocità impressionanti, si erano fusi, liberando un’enorme quantità di energia. Per raggiungerci il segnale aveva viaggiato per circa 1,3 miliardi di anni alla velocità della luce, ma non si trattava di un segnale luminoso, era un fremito dello spazio-tempo chiamato onda gravitazionale, teorizzato per la prima volta da Albert Einstein 100 anni prima. Quella prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali effettuata dai due rilevatori gemelli LIGO negli Stati Uniti, sarà annunciata al mondo dalle collaborazioni LIGO e Virgo, dopo molti mesi di analisi e verifiche, solo nel febbraio 2016.

E porterà l’anno successivo alla assegnazione del premio Nobel per la Fisica, a tre dei fondatori di LIGO: Rainer Weiss, professore emerito di fisica dell’MIT (recentemente scomparso all’età di 92 anni), Barry Barish e Kip Thorne di Caltech.

“La scoperta delle onde gravitazionali ha cambiato la storia della scienza contemporanea e ha visto l’Italia protagonista con le sue scienziate e i suoi scienziati, con i suoi laboratori e le sue tecnologie. – ha dichiarato Anna Maria Bernini, Ministro dell’Università e della Ricerca – Un passo in avanti decisivo per la conoscenza frutto di una collaborazione internazionale che dimostra quanto la cooperazione possa produrre risultati straordinari e nuove opportunità di crescita condivise. A dieci anni da quel traguardo, guardiamo al futuro con lo stesso spirito: Einstein Telescope, il grande rilevatore di terza generazione dedicato proprio allo studio delle onde gravitazionali che vogliamo portare nel nostro Paese, è il segno che l’Italia non solo ha contribuito a scrivere una pagina decisiva della fisica, ma è pronta a scriverne di nuove. Come Ministero dell’Università e della Ricerca continueremo a sostenere questa sfida, perché investire nella ricerca significa investire nel futuro del Paese e nel ruolo dell’Europa nel mondo”.

“Il 14 settembre 2025 celebriamo i dieci anni dalla scoperta delle onde gravitazionali, di cui le collaborazioni Ligo e Virgo sono state protagoniste. – ha detto Antonio Zoccoli, Presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Questo è un anniversario davvero significativo per l’INFN e per la sua comunità scientifica, un anniversario che onora il nostro spirito, la nostra missione, la nostra storia, il nostro impegno. Rappresenta un traguardo paradigmatico, non solo per noi che ne siamo stati protagonisti, ma in generale per la ricerca scientifica. L’impresa della scoperta delle onde gravitazionali è una storia che racconta come, quando si fa ricerca di frontiera, sia fondamentale avere visione, coraggio e perseveranza per riuscire a raggiungere un ambizioso obiettivo, nonostante questo richieda spesso il superamento di limiti che sembrano invalicabili. L’INFN è una delle poche Istituzioni al mondo che ha creduto e che ha investito in queste ricerche. E, grazie al grande impegno della sua comunità scientifica, a partire dal nostro Adalberto Giazotto che assieme al francese Alain Brillet ha fondato il progetto Virgo, ha contribuito in modo determinante al successo di un’impresa che sembrava impossibile allo stesso Einstein. Il nostro Istituto e la sua comunità, con il supporto del Ministero dell’Università e della Ricerca, ha investito fin dall’inizio e per oltre cinquant’anni nella ricerca delle onde gravitazionali. Abbiamo così maturato conoscenze, competenze ed esperienze che oggi sono patrimonio indispensabile per realizzare con successo i futuri progetti di ricerca in questo campo, come l’interferometro di prossima generazione Einstein Telescope che, con il supporto del nostro Governo, del MUR, della comunità scientifica e della società civile, vogliamo portare in Italia, in Sardegna, per dare al nostro Paese una nuova grande infrastruttura di ricerca, un portale verso l’Europa e il mondo, e verso un futuro di conoscenza e progresso”.

Massimo Carpinelli, Direttore dell’Osservatorio Gravitazionale Europeo, ha commentato: “La prima rivelazione delle onde gravitazionali, avvenuta dieci anni fa, è stata una tappa epocale della storia della scienza. È stata anche una prova eccezionale di quanto sia straordinariamente viva, ancora oggi, la tradizione della fisica italiana che, con l’INFN, ha dato un contributo decisivo a quella scoperta e alle grandi imprese scientifiche del mondo contemporaneo: dal CERN di Ginevra fino agli interferometri gravitazionali, come Virgo, ospitato vicino a Pisa, all’Osservatorio Gravitazionale Europeo. Grazie a strumenti come Virgo, abbiamo inaugurato una nuova era nella storia dello studio del cosmo, e possiamo oggi esplorare un universo oscuro che prima era completamente inaccessibile. Le conquiste scientifiche di questi dieci anni hanno innescato una vera e propria rivoluzione nella nostra visione dell’universo e ci hanno convinto a progettare una nuova generazione di rivelatori gravitazionali, come Einstein Telescope. Questo grande progetto allargherà ulteriormente il nostro orizzonte cosmico e ci porterà ancora più lontano nello spazio e nel tempo. La nostra comunità scientifica, il ruolo della ricerca italiana in questo settore e, non ultime le caratteristiche speciali del territorio sardo, rendono l’Italia, e in particolare il territorio sardo, il candidato ideale a ospitare questa grande infrastruttura di ricerca di nuova generazione. Per questo ci auguriamo di riuscire a portare Einstein Telescope in Sardegna, consapevoli, allo stesso tempo, che potremo affrontare le sfide scientifiche e tecnologiche che abbiamo di fronte nei prossimi anni solo grazie a una sempre più ampia e solida collaborazione tra scienziati e scienziate, Paesi e istituzioni diverse, sia a livello europeo sia globale”.

10 anni di onde gravitazionali 

A dieci anni dalla prima rivelazione delle onde gravitazionali la Collaborazione Scientifica LIGO – Virgo – KAGRA ), ha rivelato un totale di circa 300 fusioni di buchi neri, alcune delle quali sono state confermate mentre altre attendono ulteriori analisi. Lo studio di questi segnali ha portato a una serie di risultati scientifici significativi, aprendo una nuova finestra di osservazione del cosmo.

L’astronomia multimessaggera

Il 17 agosto 2017 LIGO e Virgo rivelarono un segnale che avrebbe cambiato la storia dell’astronomia: GW170817. Per la prima volta si trattava della coalescenza di due stelle di neutroni, e non di due buchi neri come altri segnali osservati in precedenza. Le fusioni di stelle di neutroni hanno qualcosa che le fusioni di buchi neri non hanno: l’emissione di radiazione elettromagnetica, ovvero luce in tutto il suo spettro. Grazie alla localizzazione della sorgente effettuata da LIGO e Virgo e dal telescopio spaziale per raggi gamma della NASA Fermi, questo evento non è stato osservato solo attraverso le onde gravitazionali, ma è stato visto anche nello spettro elettromagnetico da 70 osservatori sulla Terra e nello spazio. Così è nata l’astronomia multi-messaggera con le onde gravitazionali.

Buchi neri o stelle di neutroni?

Studiando la forma d’onda del segnale di onda gravitazionale possiamo stimare le masse degli oggetti che lo hanno prodotto e così capire se si tratta di buchi neri o di stelle di neutroni, e questo a volte porta delle sorprese. La stella di neutroni più pesante che era mai stata osservata tramite radiazione luminosa ha una massa pari a 2,5 volte quella del Sole, mentre il buco nero più leggero ha una massa pari a 5 volte quella del Sole. Rimane quindi un “buco” di massa nel mezzo (detto mass gap). LIGO e Virgo hanno osservato almeno un oggetto in questo gap di massa, e quindi non sappiamo se si tratti di un buco nero o di una stella di neutroni, e perchè abbia questa massa. Un risultato che ha messo in crisi i modelli teorici di evoluzione stellare, e che rappresenta un ottimo esempio di come la scienza teorica e quella sperimentale si influenzano a vicenda. 

Buchi neri più massicci

Il “mass gap” fra buchi neri e stelle di neutroni non è l’unico caso in cui i dati dei rivelatori di onde gravitazionali hanno portato a rivedere i modelli teorici attuali. La teoria chimica dell’evoluzione stellare non prevede la possibilità della formazione diretta di buchi neri di massa maggiore di 50 masse solari dal collasso di una singola stella. Tuttavia, sono stati osservati da LIGO e Virgo buchi neri stellari con massa maggiore di questa. Potrebbe esserci qualcosa da rivedere nelle teorie dell’evoluzione stellare, oppure questi buchi neri potrebbero essersi formati dalla fusione di altri buchi neri più piccoli.