All'inizio di ottobre, all’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) di Cascina (Pisa) si è tenuto l'evento celebrativo per i vent’anni del progetto Virgo. Finanziato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), dal CNRS francese e dall’Istituto Nazionale di Fisica Subatomica olandese (Nikhef), Virgo è uno dei tre rilevatori al mondo, e l’unico in Europa, in grado di osservare le onde gravitazionali. Ha dato un contributo fondamentale all’astronomia gravitazionale.
Il rilevatore è nato dall’utilizzo di tecnologie all’avanguardia e dall’intuito di due scienziati: l’italiano Adalberto Giazotto (1940-2017), pioniere della ricerca nel campo delle onde gravitazionali, e il francese Alain Brillet (1947-vivente).
Virgo è un interferometro laser con due bracci di tre chilometri, costruito nella campagna pisana. Può appunto rivelare le onde gravitazionali, generate da violenti eventi cosmici, come la fusione di buchi neri e di stelle o le esplosioni di supernove.
Il progetto Virgo coinvolge attualmente oltre 900 membri provenienti da 164 istituzioni di 20 Paesi diversi, principalmente europei.
Il progetto Virgo e la nascita dell'astronomia multimessaggera
In particolare, assieme ai due rilevatori statunitensi LIGO, Virgo ha dato avvio alla cosiddetta astronomia multimessaggera.
Il termine si riferisce ad una astronomia basata sull’osservazione e l’interpretazione coordinata di quattro tipi di segnali cosiddetti “messaggeri”:
- raggi cosmici (sono particelle cariche che vengono deflesse dai campi magnetici galattici ed extra-galattici, perdendo così ogni informazione sulla posizione della sorgente che li ha prodotti);
- fotoni (vengono rivelati a diverse lunghezze d’onda, dal radio ai raggi gamma, ognuna in grado di fornire informazioni sui differenti processi fisici che li producono. Essendo neutri, i fotoni non vengono deviati dai campi magnetici, conservando così la direzione della propria sorgente);
- neutrini (interagendo debolmente con la materia, possono arrivare a noi portando fondamentali informazioni riguardanti le più remote sorgenti astrofisiche. Come i fotoni, sono neutri e quindi la loro direzione di arrivo indica anche la posizione delle sorgenti);
- onde gravitazionali (oscillazioni dello spazio-tempo teorizzate da Einstein più di un secolo fa, sono state osservate direttamente soltanto pochi anni fa; consentono di studiare le caratteristiche di fenomeni come la fusione di stelle di neutroni o i buchi neri).
La nascita dell’astronomia multimessaggera risale al 16 ottobre 2017, a seguito della prima osservazione, da parte di Virgo e dei due LIGO, dell’ultimo messaggero (cioè le onde gravitazionali) generato dalla fusione di due stelle di neutroni.
Pochissimi istanti dopo, i telescopi per radiazione elettromagnetica captarono i fotoni (dalle onde radio fino ai raggi gamma) associati alla poderosa esplosione verificatasi durante questo fenomeno. Un fenomeno avvenuto a 130 milioni di anni luce dalla Terra, alla periferia della galassia NGC4993, in direzione della costellazione dell’Idra.
Il segnale gravitazionale catturato dai LIGO e da Virgo, e il successivo riscontro di un lampo gamma osservato dal satellite Fermi, resero possibile per la prima volta una “campagna osservativa multimessaggera”. La campagna coinvolse 70 telescopi e osservatori.
Le basi per il nuovo Einstein Telescope italiano
Nel luglio 2018 ci fu una seconda osservazione multimessaggera, questa volta grazie alla rivelazione di un neutrino cosmico in associazione a fotoni di altissima energia, che ha permesso di risalire alla loro sorgente. Ovvero, un “blazar”, cioè una galassia attiva con un buco nero al centro, distante 4,5 miliardi di anni luce dal nostro pianeta, in direzione della costellazione di Orione.
La rivoluzione dell’astronomia messaggera ha gettato le basi per nuove infrastrutture di ricerca per rilevatori e osservatori di onde gravitazionali di terza generazione. Tra questi, c'è il futuro Einstein Telescope (ET) che l’Italia, attraverso il lavoro di un comitato tecnico-scientifico presieduto dal premio Nobel Giorgio Parisi, si è candidata per ospitare in Sardegna.
Prospettive future: l'analisi dei dati e l'intelligenza artificiale
In futuro l’osservazione parallela dei vari messaggeri potrebbe diventare una attività di routine. E questo proprio grazie alle nuove generazioni di antenne gravitazionali (come appunto l’Einstein Telescope in Europa e il Cosmic Explorer negli USA) e di telescopi elettromagnatici (come CTA per i raggi gamma o il Webb Telescope attualmente in orbita).
In uno scenario di questo tipo, molti dati di natura diversa vengono registrati quasi in simultanea e devono essere analizzati quasi in tempo reale. L’intelligenza artificiale potrebbe allora diventare uno strumento fondamentale per gestire queste osservazioni coordinate e parallele, provenienti da diversi strumenti, di segnali di diversa natura generati dallo stesso fenomeno cosmico (un evento astrofisico appunto “multimessaggero”).
In particolare, è stato proposto di adottare il cosiddetto approccio “multimodale”, che è già impiegato da quelle applicazioni di intelligenza artificiale che integrano informazioni e segnali differenti, come immagini, suoni e testi, per muoversi nello spazio o per interpretare i discorsi di un essere umano.
Un'unica piattaforma informatica di raccolta dati in "open access"
Tutto questo presuppone però che esista un’unica piattaforma informatica in grado di raccogliere ed elaborare quasi in tempo reale i dati provenienti da centri di ricerca di tutto il mondo. I dati dovrebbero essere messi a disposizione secondo una logica “open access”.
Anche in questo, i LIGO e Virgo sono pionieri. Essi, infatti, rendono pubblici la posizione nel cielo e le caratteristiche preliminari delle sorgenti gravitazionali appena pochi secondo dopo la loro rivelazione.
Proprio come LIGO e Virgo, l’Einstein Telescope (ET) utilizzerà l’interferenza di due fasci luminosi per rilevare il passaggio di un'onda gravitazionale.
Dove sarà costruito l'Einstein Telescope
L'intera struttura sarà realizzata sottoterra per mitigare i disturbi causati dal rumore sismico ambientale. La dimensione dell'interferometro passerà dai 3–4 km dei rilevatori attuali a 10 km. Le ottiche saranno raffreddate a una temperatura di 10–20 gradi Kelvin per diminuire il rumore termico. Saranno impiegate tecnologie quantistiche per ridurre le fluttuazioni della luce.
ET premetterà, per la prima volta, di osservare le onde gravitazionali provenienti dall’epoca della radiazione cosmica di fondo.
La decisione definitiva della sua sede dovrebbe essere presa entro la fine di quest’anno. Al momento le candidate sono appunto la Sardegna e un’area compresa fra Germania, Olanda e Belgio. Per il momento, la sede provvisoria di ET è la medesima di Virgo. Location che conferma una volta di più il ruolo fondamentale dell’Italia in questo ambizioso campo di ricerca.
