L’astronomia del futuro sarà “multimessaggera”

Qualche giorno fa i ricercatori di LIGO e Virgo, i due esperimenti che danno la caccia alle sottili increspature dello spazio-tempo chiamate “onde gravitazionali”, hanno pubblicato il primo catalogo delle osservazioni raccolte finora. In meno di due anni, tra il settembre 2015 e l’agosto 2017, sono stati rilevati ben undici segnali di onde gravitazionali, di cui dieci prodotti nel processo di fusione tra coppie di buchi neri e l’undicesimo dalla fusione di due stelle di neutroni. Numeri importanti, a testimonianza di quanto questo neonato settore dell’astronomia stia già muovendo passi da gigante, aprendo le porte a nuove intriganti prospettive nell’osservazione del cosmo.

Ma che cosa sono esattamente le onde gravitazionali? Si tratta di una conseguenza della teoria della relatività generale, il capolavoro di Albert Einstein pubblicato nel 1915. Uno degli aspetti più peculiari della teoria è che essa prevede una struttura dinamica dello spazio-tempo: in presenza di una massa (per esempio una stella) lo spazio-tempo si incurva, esattamente come accade a una tovaglia tesa quando vi poggiamo sopra un’arancia. Se poi la massa compie un rapido movimento (come una rotazione) si generano nello spazio-tempo delle piccole increspature, analogamente a ciò che osserviamo in uno specchio d’acqua in seguito al movimento di una nave. Queste increspature sono proprio le onde gravitazionali, che una volta prodotte si propagano indisturbate nell’universo.

Il problema è che si tratta di segnali debolissimi ed estremamente difficili da rilevare, tanto che dalla previsione di Einstein alla prima osservazione sono passati ben cento anni: solo nel 2015 i due interferometri dell’esperimento americano LIGO – due straordinari gioielli di moderna tecnologia – sono riusciti per la prima volta a “captare” inequivocabilmente un’onda gravitazionale prodotta nel violento processo di fusione tra due buchi neri. Una volta scovata la prima onda, le osservazioni successive sono arrivate rapidamente: ad alcune di queste ha contribuito anche il “nostro” Virgo, esperimento italo-francese che ha in dote un interferometro a Cascina, in Toscana.

L’”astronomia a onde gravitazionali” rappresenta un modo completamente nuovo di osservare il nostro universo. Finora l’unica via a disposizione degli astronomi per indagare il cosmo era quella di rilevare e studiare segnali di natura elettromagnetica, come la luce visibile, le onde radio o i più potenti raggi X e raggi gamma emessi dagli oggetti celesti. Negli ultimi anni sono stati fatti progressi straordinari in questo tipo di osservazioni, con la costruzione di strumenti incredibilmente potenti, ma l’astronomia basata sull’elettromagnetismo in alcuni casi può rivelarsi limitata. Per esempio, le già citate dieci osservazioni di onde gravitazionali prodotte da processi di fusione di buchi neri, raccolte negli ultimi due anni, non hanno un analogo elettromagnetico: questo fenomeno può infatti essere osservato solo tramite segnali gravitazionali. Ecco che quindi, grazie alle informazioni indirette trasportate dalle onde gravitazionali che arrivano fino a noi, i buchi neri – tra gli oggetti più enigmatici del cosmo – stanno cominciando a svelare alcuni dei loro segreti.

Ma c’è di più: il 17 agosto 2017 gli interferometri di LIGO e Virgo hanno raccolto per la prima volta onde gravitazionali emesse nel processo di fusione tra due stelle di neutroni, unico evento di questo tipo osservato finora. A differenza dei buchi neri, le stelle di neutroni, oggetti estremamente densi che si formano in seguito al collasso di stelle di grande massa, possono emettere sia segnali elettromagnetici che gravitazionali. E infatti, nello stesso istante in cui le onde gravitazionali hanno raggiunto gli interferometri terrestri, decine di telescopi in tutto il mondo hanno raccolto le corrispondenti radiazioni elettromagnetiche emesse dallo stesso evento. Un momento che si può definire storico, perché ha segnato la nascita della cosiddetta “astronomia multimessaggera”: uno stesso evento astrofisico può ora essere osservato attraverso più messaggeri, che portano informazioni di tipo diverso sul fenomeno. Offrendo così un livello di comprensione degli eventi cosmici molto più profondo e dettagliato.

“Per capire meglio questo aspetto si può fare un paragone con i fuochi d’artificio – ha sottolineato Luciano Rezzolla, docente di astrofisica relativistica all’Università di Francoforte -. Quando assistiamo al lancio di un fuoco d’artificio, la prima cosa che vediamo è la luce, e dopo un certo periodo di tempo sentiamo anche il suono. In un certo senso i fuochi d’artificio hanno due messaggeri: i fotoni di luce che raggiungono i nostri occhi e le onde acustiche che raggiungono le nostre orecchie. Le informazioni che trasportano riguardano lo stesso fenomeno, ma sono di natura completamente diversa. Ecco, d’ora in poi ciò accadrà anche in astronomia grazie all’osservazione contemporanea di segnali elettromagnetici e gravitazionali”.

La sfida è lanciata, e il futuro dell’astronomia va inevitabilmente nella direzione di un aumento esponenziale delle “orecchie” gravitazionali. LIGO e Virgo, i rivelatori già esistenti, sono al momento in una fase di potenziamento che si concluderà nella prossima primavera, quando torneranno a caccia di nuovi segnali. Intanto però in altre parti del mondo sono in progettazione strumenti simili, ma con tecnologie ancora più innovative: tra questi KAGRA, in Giappone, e INDIGO, in India. Senza contare altri due progetti ancora in cantiere ma destinati a rivoluzionare il settore, di cui abbiamo parlato in un precedente articolo: l’Einstein Telescope, un osservatorio sotterraneo in grado di schermare i segnali dai movimenti sismici, e il progetto LISA dell’Agenzia spaziale europea, che punta a realizzare un rivelatore di onde gravitazionali interamente nello spazio, capace di indagare intervalli di frequenze non esplorabili con i rivelatori terrestri. Sullo stesso terreno poi anche Giappone e Cina hanno lanciato la sfida all’Europa con DECIGO e TianQuin, due progetti di osservatori spaziali simili a LISA.

C’è da scommetterci: il catalogo delle osservazioni di onde gravitazionali diventerà presto molto più ricco.