C’è un identikit di onde gravitazionali e parla italiano

Alessandro Nagar

04/05/2015
PIERO BIANUCCI

Nel 1915-1916 Albert Einstein inaugurò il dopo-Newton pubblicando la Relatività Generale, che è essenzialmente una nuova teoria della gravità. Tuttora è la migliore su piazza, benché sia vecchia di un secolo. L’idea-cardine è che la materia curva lo spazio intorno a sé e la curvatura è tanto maggiore quanto più grande è la massa in gioco. Le lenti gravitazionali ne sono una spettacolare rappresentazione: i raggi di luce delle galassie e delle stelle tracciano meravigliosamente la curvatura dello spazio che attraversano. Nel marzo scorso la rivista “Science” ha riferito della lente gravitazionale prodotta da un ammasso di galassie che genera 4 immagini di una stessa galassia: l’accensione di una supernova in quella galassia è stata osservata in tempi diversi per via del diverso cammino percorso dalla luce, e ciò ha fornito dati di prima mano sull’espansione dell’universo e sulla distribuzione della materia nell’ammasso.

La relatività generale prevede che una massa accelerata emetta onde gravitazionali che si manifestano come increspature dello spazio-tempo, così come un elettrone accelerato emette radiazione elettromagnetica. Quasi tutto ciò che sappiamo dell’universo lo dobbiamo a messaggi della radiazione elettromagnetica, nelle sue varie bande di frequenza: onde radio, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X e raggi gamma. La radiazione gravitazionale sarebbe un’altra finestra da cui guardare l’universo e anche in questo caso avremmo varie bande, ognuna caratteristica di particolari fenomeni in cui sono coinvolte masse accelerate: stelle che collassano, buchi neri che inghiottono materia, coppie di oggetti superdensi in rapida rotazione l’uno intorno all’altro, scontri e fusione di stelle di neutroni, lo stesso Big Bang.

Nel 1993 Joseph Taylor e il suo allievo Russell Hulse Hulse ebbero il premio Nobel per aver dimostrato la dissipazione di energia gravitazionale in un sistema binario stretto di stelle di neutroni. Sempre dalla teoria, sappiamo che le onde gravitazionali devono propagarsi alla velocità della luce e che, se vogliamo vederle sotto l’aspetto particellare, devono esistere i gravitoni, l’analogo dei fotoni della radiazione elettromagnetica.

Il problema è che, nonostante tante evidenze indirette, una osservazione diretta di onde gravitazionali non c’è ancora. Ma la caccia è aperta e la rete per catturarle ha maglie sempre più strette. Presto i fisici avranno a disposizione antenne gravitazionali che per la prima volta potrebbero essere all’altezza del compito difficilissimo che ne ha ispirato la costruzione.

Ma per fabbricare una trappola adatta a catturare una lepre occorre sapere come una lepre è fatta. Nello stesso modo, per catturare un’onda gravitazionale è necessario avere un’idea il più possibile precisa di ciò che si cerca. Restando nell’analogia con le onde elettromagnetiche, non possiamo osservare una sorgente di luce ultravioletta con un sensore per luce infrarossa.

Nel caso delle onde gravitazionali, tanto per fare un esempio, si ritiene che una stella che esploda come supernova e collassi in una stella di neutroni trasformi lo 0,1 per cento della massa iniziale in onde gravitazionali con un “timbro” pulsato. L’onda ha caratteristiche diverse a seconda che il collasso sia più o meno simmetrico. Le onde emesse potrebbero andare a 1 a 1000 hertz e avere diversa ampiezza: differenze non da poco se vogliamo un’antenna ben sintonizzata. A ciò si aggiunge la difficoltà tecnologica. Nel caso dell’antenna italo-francese Virgo – situata vicino a Pisa – abbiamo due bracci di tre chilometri, dei quali si cerca di misurare variazioni di lunghezza un miliardo di volte più piccole di un atomo, benché i disturbi (segnali spuri) siano di gran lunga maggiori. La lepre deve essere distinguibile da una quantità di altri animali più grandi che rimangono facilmente presi nella rete.

Tutta questa lunga premessa – contraria alle regole del buon giornalismo – per introdurre una notizia importante ma della quale, senza la premessa, sarebbe difficile apprezzare il valore. La notizia è questa: un lavoro teorico pubblicato su “Physical Review Letters” il 23 aprile 2015 fornisce un dato molto importante ai fisici sperimentali che stanno cercando di osservare onde gravitazionali. I firmatari dell’articolo, tra i quali spiccano gli italiani Alessandro Nagar e Sebastiano Bernuzzi, hanno calcolato con grande accuratezza le caratteristiche del segnale gravitazionale che verrebbe emesso da un sistema binario di stelle di neutroni nelle sue ultime orbite, quando i due oggetti ultradensi stanno per fondersi in un buco nero.

Conoscere bene questo segnale è indispensabile per estrarlo dal rumore di fondo che lo sovrasta: si tratta infatti di isolare una deformazione dell’antenna gravitazionale dell’ordine di 10 alla meno 22 metri nel caso di una coppia di stelle di neutroni a 600 milioni di anni luce da noi (dieci volte la distanza del Virgo Cluster). Per un confronto, le dimensioni di un protone si collocano intorno a 10 alla meno 15 metri. Le due migliori antenne gravitazionali oggi esistenti, Virgo in Italia vicino a Pisa (una collaborazione italo-francese) e Ligo negli Stati Uniti, stanno completando una fase di aggiornamento che migliorerà di 100 volte la loro sensibilità. Il lavoro appena pubblicato potrà quindi dimostrarsi prezioso entro pochi anni. Possiamo infatti dire, adesso, di conoscere meglio la lepre da cercare dentro la trappola.

Lo studio ha richiesto l’unione di più competenze: Sebastiano Bernuzzi (Università di Parma e CalTech) e Tim Dietrich (Università di Jena) sono due giovani specialisti della soluzione numerica delle equazioni di Einstein con supercomputer. Thibault Damour e Alessandro Nagar (Institut des Hautes Études Scientifiques) hanno sviluppato una descrizione analitica (detta metodo Effective One Body) del moto orbitale e dell’emissione di onde gravitazionali da sistemi binari composti da stelle di neutroni o buchi neri.

Alessandro Nagar (foto), torinese, quarant’anni, lavora in Relatività generale all’IHES di Bures-sur-Yvette vicino a Parigi dal 2007. Autore di numerose pubblicazioni ad alto impact factor, ha studiato con Pietro Fré e Leonardo Castellani all’Università di Torino, dove ha potuto raccogliere l’eredità di Tullio Regge: un riferimento della sua ricerca è il lavoro ormai classico di Regge e Wheeler del 1957 sulla stabilità di un buco nero di Schwarzshild. E’ un campo, questo, nel quale la fisica teorica italiana mantiene una leadership riconosciuta a livello mondiale.

Fin qui l’aspetto ufficiale. Slittando pericolosamente su quello personale, nello scambio di mail che ho avuto con Alessandro Nagar ho appreso che influì sulla sua vocazione scientifica l’aver assistito, quando era al liceo, a una conferenza di GiovedìScienza con Dennis Sciama (che per inciso fu maestro di Steven Hawking). Da trent’anni conduco e partecipo all’organizzazione del programma di GiovedìScienza. Posso dire che queste sono le massime gratificazioni a cui può aspirare un divulgatore scientifico?

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