Advanced Virgo

Agosto 2017 verrà ricordato come il mese cha ha segnato l’inizio di una nuova era dell’astronomia. Un evento storico, la prima rivelazione di tre interferometri, la prima volta per Virgo.
Di Valerio Boschi - Applied physicist presso European Gravitational Observatory

Agosto 2017 verrà ricordato come il mese cha ha segnato l’inizio di una nuova era dell’astronomia. Due coppie di stelle densissime si sono fuse il 14 e il 17 Agosto dello scorso anno producendo dei segnali estremamente deboli, denominati onde gravitazionali, che tre enormi strumenti, due negli Stati Uniti e uno in Italia, sono stati in grado di captare. La seconda fusione ha prodotto una stella, chiamata kilonova, che è stata osservata dai più potenti telescopi di tutto il mondo nell’esatta posizione stimata dai tre strumenti.

Per la prima volta la luce e il suono prodotto da una sorgente astrofisica sono stati registrati insieme. Le onde gravitazionali possono essere interpretate come la musica dell’universo.

Questi segnali sono stati previsti dalla relatività generale, una teoria scientifica, ampiamente confermata sperimentalmente, che Einstein finì di concepire quasi esattamente 100 anni fa, nel 1916. La relatività fornisce la descrizione più accurata a nostra disposizione della forza che tiene insieme tutto l’universo, la gravità. Tale forza, studiata fin dall’antichità, raggiunse la sua prima formulazione matematica nei Principia Mathematica di Isaac Newton del 1687. Tale descrizione assumeva che corpi massivi fossero attratti da una forza, inversamente proporzionale al quadrato della distanza, che agiva istantaneamente su di essi.

Tuttavia, Einstein capì per primo che nessun segnale si può propagare in natura a velocità superiori a quelle della luce. Comprese inoltre che il tempo non è una grandezza assoluta ma dipende dal sistema di riferimento in cui siamo. In particolare più veloci ci muoviamo, più lentamente scorrono le lancette del nostro orologio. Mettendo insieme questi e altri concetti Einstein giunse ad una descrizione puramente geometrica della forza di gravità. Essa è l’effetto della curvatura dell’intima struttura dell’universo, il cosiddetto spazio-tempo. Possiamo immaginare lo spazio-tempo come un materasso estremamente rigido, grande come l’universo.

In assenza di corpi massivi esso è perfettamente piatto; ma appena ci appoggiamo un oggetto pesante, come una palla da bowling, si incurverà in prossimità dell’oggetto, costringendo ogni corpo più leggero, ad esempio una pallina da ping-pong, a scivolare verso di esso o a ruotarvi attorno. In altre parole corpi leggeri tendono a muoversi verso corpi pesanti, non perché sono attratti da una forza, ma perché i corpi di massa piccola si muovono attraverso lo spazio-tempo che è deformato dai corpi di massa grande. Se la massa degli oggetti e la loro velocità sono costanti la curvatura prodotta non varia nel tempo. Tuttavia se immaginiamo ad esempio di togliere istantaneamente i corpi massivi dal materasso esso, per quanto rigido, inizierà ad oscillare per breve tempo.

A queste oscillazioni viene dato il nome di onde gravitazionali. Gli eventi astronomici che producono onde gravitazionali di maggiore intensità sono l’esplosione di supernove o la fusione di resti di stelle ormai morte come le stelle di neutroni o i buchi neri. In prossimità di questi ultimi oggetti il campo gravitazionale è talmente intenso che la luce stessa non è in grado di sfuggirvi. L’effetto delle onde gravitazionali sulla materia è quello di deformare dinamicamente lo spazio-tempo alla frequenza dell’onda, alterando le dimensioni degli oggetti che l’onda attraversa. Tale deformazione si attenua col quadrato della distanza e diventa piccolissima quando giunge fino a noi. Infatti, quando Einstein previde l’esistenza delle onde gravitazionali, e ne calcolò l’effetto, giunse alla conclusione che non sarebbe mai stato costruito nessun dispositivo abbastanza sensibile per rivelarle. Fortunatamente si sbagliò: oggi tre potenti strumenti ottici, chiamati interferometri, sono in grado di osservare questi segnali prodotti dall’universo e di localizzarne la provenienza.

Due di questi strumenti, chiamati entrambi LIGO, sono negli Stati Uniti, uno in Louisiana, l’altro nello stato di Washington, mentre il terzo, Virgo, è in Italia, a Cascina, in provincia di Pisa. I tre esperimenti lavorano insieme come un unico rivelatore condividendo i dati. Virgo è stato inaugurato nel 2003 ed è nato grazie alla collaborazione tra l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano e l’equivalente francese del CNR (CNRS). Oggi vi lavorano a turno 250 tra fisici, ingegneri e tecnici di cinque Paesi. Il centro è amministrato e gestito da un consorzio denominato European Gravitational Observatory (EGO). Questo potente orecchio, in piena campagna toscana, ha la forma di una gigantesca L 3 km x 3 km (figura 1). Il principio di funzionamento di tutti gli interferometri è abbastanza semplice.

La luce prodotta da un LASER molto potente (25 W per Virgo) attraversa uno specchio semi-trasparente denominato beam splitter. Il 50% della radiazione attraversa lo specchio mentre il 50% viene riflesso a 90 gradi. I due fasci perpendicolari percorrono i due bracci della L, lunghi 3 km, al termine dei quali si riflettono su due specchi; tornano quindi indietro, attraversano nuovamente il beam splitter e si ricombinano su un banco ottico equipaggiato con una serie di sensori di luce, detti fotodiodi. Lo schema ottico è disegnato in modo da avere i due fasci in opposizione di fase quando si ricombinano. L’interferometro lavora quindi in una condizione operativa di interferenza distruttiva denominata frangia scura. L’onda gravitazionale in arrivo, deformando lo spazio-tempo, produce uno spostamento degli specchi terminali che allontana leggermente l’interferometro dalla condizione di frangia scura, producendo un po’ di luce, che viene misurata dai fotodiodi, alla frequenza dell’onda. Ognuno dei bracci dell’interferometro funziona quindi come un grande righello lungo 3 km in grado di misurare piccolissime alterazioni della sua lunghezza. 

Tali variazioni misurabili da Virgo e da LIGO sono dell’ordine di 10-18 m a 100 Hz, una grandezza 1000 volte più piccola del raggio del protone! Dal 2007 al 2011 Virgo e LIGO hanno acquisito dati in parallelo per 4 periodi lunghi alcuni mesi senza osservare onde gravitazionali. Successivamente entrambi gli strumenti hanno subito un sostanziale aggiornamento al fine di incrementarne la sensibilità, passando alla cosiddetta fase Advanced. Il primo segnale di onde gravitazionali è stato osservato il 14 Settembre 2015, pochi giorni dopo l’inizio della presa dati di Advanced LIGO. Una coppia di buchi neri lontani 1.3 miliardi di anni luce si sono fusi convertendo una quantità enorme di energia in onde gravitazionali. Tale scoperta è valsa il premio Nobel per la fisica 2017 a tre membri americani della collaborazione LIGO-Virgo.

Successivamente LIGO ha osservato altre due fusioni di buchi neri, il 26 Dicembre 2015 e il 4 Gennaio 2017. Tuttavia i due rivelatori americani non sono stati in grado di stimare con precisione la posizione nel cielo dei buchi neri. È infatti necessario almeno un terzo interferometro per localizzare le sorgenti. Tutti gli occhi della comunità scientifica erano quindi puntati sul rivelatore italiano. Advanced Virgo ha terminato l’installazione di tutte le componenti necessarie per il suo aggiornamento nel Settembre 2016. È quindi iniziato un intensissimo lavoro di messa a punto che in meno di un anno ha portato l’interferometro ad avere una sensibilità sufficiente per osservare sorgenti astrofisiche. Tale fase, chiamata commissioning, svolta da un gruppo di meno di venti ricercatori, ha consentito ad Advanced Virgo di iniziare l’acquisizione dati il 1 Agosto 2017. Quasi a premiare l’eroico sforzo compiuto, l’universo ha deciso di regalarci i due segnali del 14 e del 17 Agosto, che hanno segnato l’inizio di una nuova fase della storia dell’astronomia.

Concludiamo riportando qui di seguito l’emozionante racconto dell’operatore Fabio Gherardini, il tecnico di turno a Virgo il giorno del primo evento.
È lunedì 14 Agosto. L'Italia è tutta in vacanza. La strada verso il lavoro è sgombra, libera dal solito traffico mattutino. Arrivo sul sito per dare il cambio al mio collega del turno notturno. L’interferometro sta funzionando nel migliore dei modi. Bisogna dire che, quando tutto va come deve, Virgo è l'oggetto più monotono del mondo: quella mattina è stata veramente noiosa. Giunta l'ora di pranzo vado a mensa con le poche persone presenti sul sito. In attesa di sedermi per mangiare ricevo una chiamata sul cellulare; abbiamo un telefono per le emergenze dove riceviamo messaggi di allarme in caso di problemi o malfunzionamenti ma, nei periodi di presa dati, anche in caso di possibili eventi gravitazionali. Il telefono squilla e il mio primo pensiero è "Si è rotto qualcosa!".

Invece no! È la segnalazione di un possibile evento! Lascio il mio vassoio e corro in sala di controllo per vedere di cosa si tratta. Oltre a noi e ovviamente ai nostri colleghi dei due interferometri americani in questi casi vengono informati dell'evento anche altri esperti che hanno il compito di fare una prima analisi dei dati e discuterne in teleconferenza. Mi collego alla teleconferenza e cerco di seguire la discussione; in questo caso il mio compito è quello di dare, come potremmo dire, un timbro di qualità sul funzionamento dell'interferometro. Tutto è in ordine da parte mia, i dati sono buoni, Virgo è OK, si può procedere con l'analisi dell'evento. Siamo solo tre persone in sala di controllo.

Proviamo a seguire la discussione che si sta svolgendo. Si sente una certa concitazione ed euforia, i primi risultati sembrano confermare la validità dell'evento e tutto va in quella direzione: non ci sono più dubbi, è stato un evento gravitazionale, il primo rilevato da tre strumenti contemporaneamente! Ricordo benissimo un commento uscito dalla discussione di un esperto americano: "It's amazing!", "È incredibile". Da parte nostra c'è la gioia e la soddisfazione di aver raggiunto un obiettivo per il quale abbiamo lavorato duramente per tanti anni; iniziamo a fare telefonate a destra e a sinistra per dare la notizia, per una volta una buona notizia, e sentiamo nelle risposte e nelle parole quella soddisfazione e felicità che in questi anni ci è mancata. Nel mio piccolo mi rimarrà per sempre il ricordo di questa esperienza di essere stato lì e aver vissuto in prima persona questo evento storico. Sì, storico perché è stato il primo, la prima rivelazione di tre interferometri, la prima volta per Virgo.



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