12 Le Scienze 567 novembre 2015 www.lescienze.it Le Scienze 13

Intervista

A caccia di onde gravitazionali

A quando la prima rivelazione di onde gravitazio-nali? I segnali delle increspature del tessuto dello spazio-tempo prodotte, secondo le previsioni del-la teoria generale della relatività elaborata da Al-bert Einstein, da eventi o processi che si verifica-

no nell’universo, ancora si fanno attendere, nonostante lo sforzo internazionale di ricerca che vede in campo l’interferometro VIR-GO, costruito a Cascina, comune a 7 chilometri da Pisa, e lo sta-tunitense LIGO, che hanno raccolto dati tra il 2007 e il 2011, con risultati importanti. Tra pochi mesi tutto sarà pronto per un sal-to di qualità, quando saranno disponibili entrambe le versioni ag-giornate degli apparati sperimentali, denominate rispettivamen-te Advanced VIRGO e Advanced LIGO. Fulvio Ricci, portavoce di VIRGO, ha spiegato a «Le Scienze» le linee di sviluppo e gli obietti-vi di questa ambiziosa impresa scientifica.

VIRGO e LIGO sono un esempio di come nei grandi progetti della fisica sperimentale si possa passare dalla concorrenza alla col-laborazione tra diversi gruppi di ricerca. È così?

Nel 2007 è stato firmato un protocollo d’intesa tra la comuni-tà di LIGO e quella di VIRGO, grazie a cui i dati raccolti dai due interferometri sono condivisi e analizzati tutti insieme, indipen-dentemente da chi li abbia ottenuti e quando siano stati ottenuti. I gruppi di analisi lavorano fianco a fianco, e ormai è difficile fa-re una distinzione di compiti; chiaramente sull’apparato di VIRGO è più impegnata la collaborazione europea finanziata dal CNRS francese e l’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN). A questi contributi si aggiunge quello olandese del laboratorio NIKHEF e le specifiche attività di analisi dati dei gruppi polacco e ungherese. Il contributo italiano è a 360 gradi, sia nella realizzazione della par-te hardware sia nell’elaborazione dei dati.

Quindi è un po’ come avere un apparato sperimentale grande come il pianeta.

Sì certo, o meglio, una rete di interferometri sull’intero pianeta: la disponibilità di tre osservatori invece di due consente una loca-lizzazione nettamente più efficiente dell’evento cosmico candida-to all’origine delle onde gravitazionali. In questo tipo di misura-zioni si pone anche un problema di copertura del cielo: è chiaro che avere più apparati riduce l’incertezza. Attualmente copria-mo gran parte della sfera celeste, e abbiamo già un memorandum d’intesa per un’ulteriore estensione della rete con l’interferometro giapponese che sta per essere realizzato nella miniera di Kamioka, la stessa che a suo tempo fu usata con successo nella rivelazione dei neutrini solari e atmosferici.

A che punto sono i processi di aggiornamento degli interfero-metri LIGO e di VIRGO?

Advanced LIGO è stato finanziato dalla National Science Foundation degli Stati Uniti con un anticipo di almeno due an-ni rispetto all’analogo progetto per VIRGO. La fase di aggiorna-mento di LIGO è terminata a marzo di quest’anno. A settembre si è passati dalla fase di commissioning, in cui le macchine sono mes-se in condizioni stabili e collaudate, alla fase osservativa con la raccolta dei dati per la cattura dei segnali gravitazionali. Nel caso di Advanced VIRGO, prevediamo di completare entro quest’anno l’installazione delle nuove parti dell’interferometro; ci sarà poi la fase di commissioning e la raccolta dati inizierà nella seconda me-

tà del 2016. Si tratta di un appuntamento importante, perché ri-corrono i cent’anni dalla pubblicazione della teoria generale della generale da parte di Einstein.

Veniamo alla parte scientifica del progetto: come possiamo sin-tetizzare i risultati sperimentali della prima fase di funziona-mento dei rivelatori gravitazionali?

La prima fase di vita di questi rivelatori ha generato decine di articoli sui limiti superiori ai segnali di emissione di varie sorgenti astrofisiche. Non dimentichiamo che la ricerca di VIRGO e LIGO è diretta a diverse categorie di segnali, che corrispondono ad altret-tanti processi che avvengono nel cosmo: la prima distinzione che si fa è tra segnali di tipo transitorio, intensi ma limitati nel tempo, e segnali persistenti, più deboli, che durano più a lungo della vi-ta stessa dei rivelatori. Per i segnali transitori, dobbiamo ulterior-mente distinguere tra quelli per la cui individuazione non si usano modelli di riferimento sulla loro forma, e quelli la cui forma d’on-da si può modellizzare abbastanza bene. Nella prima categoria so-

no compresi i segnali emessi nelle esplosioni di supernova, mentre nella seconda ricadono i fenomeni di coalescenza di sistemi binari di stelle, che «spiraleggiano» a forte velocità fino a collidere e fon-dersi. Quest’ultimo meccanismo di emissione dovrebbe generare le onde gravitazionali più intense.

I segnali persistenti, più deboli, permettono però una misura-zione molto più prolungata nel tempo, migliorando così il rappor-to tra segnale e rumore. In questo caso, la sorgente attesa è una stella di neutroni non perfettamente sferica, una pulsar. In que-sto caso sono due le strategie di rivelazione: o si punta verso una pulsar di cui è nota la posizione nel cielo e la frequenza di rotazio-ne, grazie alla misurazione dei segnali radio che emettono, oppu-re si fa una ricerca «a tutto cielo». Quest’ultima è motivata dal fat-to che i radioastronomi hanno individuato circa 2000 pulsar nella nostra galassia, ma da una stima approssimativa sappiamo che dovrebbero essere centinaia di milioni: la ricerca a tutto cielo ri-chiede un numero di tentativi esorbitante e problemi computazio-nali enormi. Tuttavia anche per queste emissioni siamo riusciti a fornire limiti superiori significativi all’emissione di onde gravita-zionali e alla deformazione di alcune pulsar.

Tutto questo si traduce in un notevole progresso nella capacità di rivelare i segnali candidati.

Dall’epoca degli anni sessanta, caratterizzata dai rivelatori a barre, prima a temperatura ambiente e poi criogenici, agli inter-ferometri avanzati di oggi, questa ricerca si è evoluta molto, con un notevole allargamento degli obiettivi scientifici: oggi possia-mo puntare a una classe di eventi molto più vasta. Una parte con-siderevole dello sviluppo ha riguardato l’abbattimento delle varie sorgenti di rumore, come quello sismico o quello di origine termi-ca, e tra poco opereremo con Advanced VIRGO che usa materia-li per la sospensione degli specchi con bassissime perdite mecca-no-acustica. Ne risulta un’enorme miglioramento della sensibilità, che si traduce nella possibilità di cogliere eventi generati nell’uni-verso profondo.

Anche se non è facile fare previsioni precise, quanti eventi sono attesi nell’arco di un anno con gli apparati aggiornati?

Se parliamo di sistemi binari costituiti da stelle di neutroni in fase di coalescenza, non è banale identificare numeri di riferimen-to. Tuttavia, alla massima sensibilità prevista degli interferome-tri avanzati LIGO E VIRGO, una stima realistica è di qualche deci-na di eventi all’anno. Nel caso invece di coalescenza di due buchi neri, il volume di universo che possiamo esplorare è enorme, fino a 1 gigaparsec: però il numero di eventi in questo caso è assoluta-mente incerto.

Ma con un numero così basso di eventi si può avere una statisti-ca sufficiente per poter annunciare la scoperta tanto attesa del-le onde gravitazionali?

In realtà per aprire un nuovo capitolo della fisica e dell’astro-nomia ci basterebbe un solo segnale: il punto cruciale riguarda l’intensità dell’evento rivelato, perché studiando il rumore di fon-do della rete degli interferometri si riesce a ridurre la frequenza di rivelazione di un falso positivo a meno di uno su mille anni. L’ap-puntamento è quindi fissato a brevissimo termine, quando speria-mo di poter festeggiare degnamente questo secolo di relatività ge-nerale con l’annuncio di una scoperta che aprirà un modo nuovo di studiare l’universo e le sue leggi.

di Folco Claudi

Le versioni aggiornate degli interferometri VIRGO e LIGO sono pronte a rilevare le increspature spazio-temporali previste da Albert Einstein, racconta Fulvio Ricci

Fulvio Ricci è professore di fisica ge-nerale alla «Sapienza» Università di Ro-ma. Esperto di gravitazione sperimen-tale e di sistemi di rivelazione di onde gravitazionali, ha lavorato prima presso l’Istituto di fisica del plasma dello spa-zio del CNR a Frascati e poi presso il CERN a Ginevra. Dal 1995 lavora all’interferometro VIRGO. È stato tra i firmatari del pri-mo memorandum d’intesa per l’attivi-tà congiunta di analisi con la collabora-zione statunitense LIGO. Attualmente è il coordinatore scientifico della collabo-razione europea VIRGO.

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Dall’alto. L’interferometro VIRGO è composto da due bracci gemelli lunghi 3 chilometri ciascuno, disposti ad angolo retto e nei quali circola un raggio laser.