Un occhio "sardo" a scrutare onde gravitazionali: il telescopio "Einstein"

L’Italia continua a posizionarsi in prima linea nello studio delle onde gravitazionali. Dopo il successo dell’esperimento Virgo (un telescopio di seconda generazione posizionato a Cascina, vicino a Pisa, nel sito dello European Gravitational Observatory), l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) si prepara a costruire l’Einstein Telescope (ET), un telescopio di terza generazione per l'osservazione delle onde gravitazionali.

Previste da Einstein nel 1916, come conseguenza della teoria della Relatività Generale pubblicata nel 1915, le onde gravitazionali sono state per la prima volta osservate dopo circa 100 anni, nel 2015 da parte di un esperimento congiunto tra Virgo e LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory, negli Stati Uniti). E’ questo il motivo della dedica del nuovo telescopio ET al grande scienziato.

Cosa sono le onde gravitazionali?

Il modo più semplice per capire qualcosa di complicato è utilizzare l’analogia con qualcosa di cui si abbia esperienza nella vita quotidiana.

Si immagini di immergere un dito in un recipiente pieno d’acqua e di iniziare a muoverlo in modo sostenuto e in senso circolare descrivendo un cerchio. Ciò che si noterà è la formazione di onde che dalla posizione del dito si propagano in modo concentrico verso l’esterno.

Allo stesso modo, se invece del dito, si lascia cadere un oggetto, si formeranno ugualmente onde concentriche che si propagano verso l’esterno. La differenza è che nel primo caso le onde continuano a formarsi finché il dito ruota, nel secondo caso dopo qualche secondo le onde scompaiono.

Nel caso delle onde gravitazionali, invece del dito ci sono due oggetti estremamente massicci ad esempio due buchi neri che ruotano l’uno attorno all’altro, o al posto dell’oggetto che urta la superficie, c’è un'esplosione gigantesca quale quella prodotta da una supernova o dalla fusione di due buchi neri.

Infine, invece dell’acqua sulla quale le onde si propagano, c’è lo spazio-tempo che viene deformato (increspato) dalla rotazione o dall’esplosione e le cui onde gravitazionali si propagano con la velocità della luce (300.000 km/s).

Quando queste onde, dopo aver attraversato distanze cosmiche, raggiungono la Terra, esse perturbano tutto ciò che incontrano facendolo “vibrare”. Si tratta però di vibrazioni di bassa frequenza e ampiezza così piccola, confrontabile o inferiore alle dimensioni di un nucleo atomico, che richiedono esperimenti ad hoc per essere rivelate. Inoltre, l’intensità di queste onde va diminuendo man mano che si allontanano dalla sorgente.

Dallo studio di queste onde possiamo ottenere nuove e preziose informazioni sulla natura dell'Universo, capire di più sulla natura dei buchi neri, delle stelle di neutroni, sulla loro evoluzione e sui processi di fusione.

Come funziona un telescopio per onde gravitazionali?

Forse è più semplice da capire ricorrendo nuovamente ad un’analogia. Immaginiamo che siano state posizionate in mare aperto tre boe e che sia possibile misurarne esattamente la posizione e l’altezza (rispetto alla superficie del mare quieto), ad esempio con un sistema GPS.

Nel momento in cui arriva un’onda, questa solleverà la prima boa (di cui potrò misurare la variazione di altezza rispetto al livello di quiete), poi solleverà la seconda e così la terza. Poi seguirà una seconda onda che produrrà le stesse variazioni e così via. Anche se non vedo le onde, ad esempio di notte, vedendo dalle misure GPS che alternatamente sta variando l’altezza delle boe potrò capire che è arrivata un’onda, ma non solo, grazie al fatto che sono tre e non allineate, potrò capire da dove arriva l’onda e in base alla durata e all’ampiezza delle oscillazioni posso ottenere anche informazioni sulle caratteristiche della sorgente che ha prodotto le onde.

Il telescopio Einstein sarà costruito sotto terra

In modo analogo, il telescopio Einstein sarà costruito sotto terra, ad una profondità tra 100 e 300 metri. Esso consisterà in tre “specchi principali”, sospesi all'interno di campane per il vuoto e collocati ai vertici di un triangolo i cui lati (ciascuno lungo 10 km) sono delle gallerie. La posizione esatta dei tre specchi (le tre boe dell’esempio di sopra) viene misurata con un sistema di interferometria laser ad altissima precisione.

Più nel dettaglio, vengono prodotti fasci di luce laser che, attraverso successive riflessioni, percorrono molte volte i lati del triangolo (lungo le gallerie), per poi essere ricombinati in modo da produrre frange di interferenza. Queste rimangono invariate fintantoché gli specchi rimangono fermi.

Nel momento in cui un treno di onde gravitazionali raggiunge la Terra e investe i tre specchi questi iniziano ad oscillare cambiando posizione (esattamente come le tre boe) e di conseguenza cambiano le frange di interferenza. Misurando la variazione delle frange e quindi la variazione di posizione degli specchi è possibile capire da dove arriva l’onda e ottenere informazioni sulle caratteristiche della sorgente di onde gravitazionali, che è lo scopo ultimo dell'esperimento.

Ma perché proprio in Sardegna?

Il telescopio ET verrà realizzato a Sos Enattos in provincia di Nuoro. La scelta della Sardegna nasce da due principali caratteristiche del territorio.

Innanzitutto, a differenza delle altre regioni italiane, la Sardegna è un territorio a bassa sismicità. La sismicità rappresenta una sorgente di rumore nelle misure di altissima precisione necessarie per il funzionamento del telescopio. In altre parole, la posizione degli specchi potrebbe cambiare non per le onde gravitazionali, ma per le vibrazioni sismiche. Inoltre, la bassissima urbanizzazione del luogo scelto minimizza ulteriormente possibili interferenze di origine antropica.

Infine, la natura delle rocce nel luogo di costruzione, grazie alla loro solidità e stabilità, permette la realizzazione di grandi laboratori e tunnel sotterranei.

I precedenti

Non è la prima volta che la Sardegna viene eletta come sede per la realizzazione di importanti progetti in campo spaziale e tecnologico. Infatti, è del 2013 l’inaugurazione del Sardinia Radio Telescope (SRT), il più grande telescopio in Europa per l’osservazione di radio-onde, gestito dall’INAF, Istituto Nazionale di Astrofisica, e costruito in collaborazione con ASI, Agenzia Spaziale Italiana, in località Pranu Sanguni allora scelta per il bassissimo inquinamento da radio-onde di origine artificiale.

L’ Einstein Telescope verrà realizzato in Sardegna dal consorzio ETIC (Einstein Telescope Infrastructure Consortium) con i fondi del PNRR.