Nel 1916, un anno dopo aver completato la teoria della Relatività Generale, Albert Einstein scrisse qualcosa che per molto tempo sembrò più un esercizio matematico che una previsione fisica concreta: l’Universo, quando masse enormi accelerano, dovrebbe vibrare. E sarebbe lo spaziotempo stesso, il tessuto di cui il cosmo è fatto, a farlo. Quelle vibrazioni, che oggi chiamiamo onde gravitazionali, sarebbero increspature capaci di propagarsi alla velocità della luce, portando con sé informazione sugli eventi più violenti del cosmo.
Per decenni, quelle vibrazioni rimasero un’ipotesi elegante, discussa e perfino messa in dubbio dallo stesso Einstein. Erano troppo deboli per essere misurate con la tecnologia del Novecento. Sembravano destinate a restare nel regno della teoria, non importa quanti sforzi si facessero per costruire rilevatori sempre più grandi e sensibili.
Poi, il 14 settembre 2015, una minuscola oscillazione attraversò la Terra. Un segnale durato appena due decimi di secondo, ma finalmente registrato da due strumenti negli Stati Uniti che avevano appena iniziato un nuovo run scientifico. Il suo annuncio ufficiale venne fatto l’11 febbraio 2016, dieci anni fa oggi.
Quel giorno non abbiamo semplicemente confermato una previsione di Einstein. Abbiamo aperto un nuovo senso per esplorare il cosmo. Fino ad allora avevamo osservato l’Universo solo attraverso la luce, visibile, infrarossa, radio, X, gamma. Da quel momento abbiamo iniziato ad ascoltarlo. E ascoltare significa accedere a fenomeni che la luce, da sola, non può raccontare.
In questo video abbiamo raccontato il rilevamento del primo segnale di onde gravitazionali e di come questo stia rivoluzionando l’astrofisica.
Un secolo di attesa
Per gran parte del XX secolo, le onde gravitazionali restarono un enigma teorico. Negli anni Settanta arrivò però una prima prova indiretta: lo studio della pulsar PSR B1913+16 da parte di Russell Hulse e Joseph Taylor mostrò che due stelle di neutroni in orbita perdevano energia esattamente come previsto se stessero emettendo onde gravitazionali. Fu una conferma straordinaria, premiata con il Nobel nel 1993. Ma era ancora un indizio, non un rilevamento diretto.
Il problema era la debolezza del fenomeno. Quando un’onda gravitazionale attraversa la Terra, deforma le distanze in modo minuscolo: variazioni inferiori alla dimensione di un nucleo atomico su bracci lunghi chilometri. Misurare qualcosa del genere richiede una precisione quasi inconcepibile.
È qui che entrano in gioco interferometri come LIGO, in America, e Virgo, in Italia vicino a Pisa. Con bracci lunghi rispettivamente 4 e 3 km, questi strumenti utilizzano fasci laser per confrontare con estrema precisione la lunghezza dei loro percorsi. Se lo spaziotempo si allunga in una direzione e si accorcia nell’altra, il segnale cambia. Ed è proprio quella minuscola differenza a rivelare il passaggio di un’onda gravitazionale.
Il primo “cinguettio”
Alle 9:50:45 UTC del 14 settembre 2015, entrambi i rivelatori LIGO a Livingston, in Louisiana, e a Hanford, nello stato di Washington, registrarono un segnale quasi identico, separato da appena 7 millisecondi. Era il primo evento di onde gravitazionali mai osservato direttamente, poi denominato GW150914.
Il segnale aumentava rapidamente in frequenza e ampiezza: un vero e proprio chirp, lo chiamarono e lo chiamano gli scienziati, un “cinguettio”. In appena due decimi di secondo, la frequenza passò da circa 35 Hz a oltre 250 Hz. Era la firma tipica di un sistema binario compatto che spiraleggia sempre più velocemente fino alla fusione.
L’analisi del segnale rivelò che a generarlo era stata la fusione di due buchi neri con masse di circa 36 e 29 volte quella del Sole. Orbitavano l’uno attorno all’altro a velocità sempre maggiori, fino a raggiungere oltre metà della velocità della luce negli ultimi istanti prima della coalescenza.
Nel momento finale si erano uniti in un unico buco nero di circa 62 masse solari. Se si sommano le masse iniziali, mancano circa tre masse solari: non sono scomparse, sono state convertite in energia, irradiata sotto forma di onde gravitazionali secondo la famosa equazione di Albert Einstein, E = mc².
In una frazione di secondo, quella fusione liberò una potenza superiore, per un istante, alla luminosità combinata di tutte le stelle dell’Universo osservabile. Eppure, arrivata sulla Terra dopo un viaggio di circa 1.4 miliardi di anni, quell’energia si manifestò come una variazione di lunghezza inferiore a una frazione del diametro di un protone lungo i 4 km dei bracci di LIGO. Un’esplosione cosmica inimmaginabile tradotta in una vibrazione minuscola, appena percettibile.
Dalla perplessità alla certezza
Quando il segnale apparve nei dati, la collaborazione LIGO stava per iniziare ufficialmente la sua prima campagna osservativa dopo l’ultimo aggiornamento. Inizialmente, alcuni ricercatori si chiesero se potesse trattarsi di un injection, un segnale simulato inserito nei dati per testare le procedure di analisi.
Nel giro di pochi minuti scattò l’allerta automatica interna. Nei giorni e nelle settimane successive iniziò un lavoro meticoloso tra controlli incrociati, esclusione di disturbi ambientali, analisi statistica approfondita di settimane di dati circostanti. No, nessuna vibrazione sismica, nessuna interferenza locale poteva spiegare quella forma d’onda così perfettamente coerente con le simulazioni numeriche della Relatività Generale.
La significatività statistica superò le 5 sigma: la probabilità che fosse un falso positivo era inferiore a una su diversi milioni.
L’11 febbraio 2016, in una conferenza stampa seguita in tutto il mondo, la collaborazione annunciò ufficialmente la scoperta. Non era solo la conferma di una previsione centenaria, era la prima osservazione diretta di un sistema binario di buchi neri. Fino a quel momento, oggetti del genere erano stati dedotti indirettamente, mai “visti” nel loro atto finale.
Quel giorno si aprì una nuova disciplina: l’astronomia gravitazionale.
Un nuovo modo di osservare l’Universo…
Per secoli abbiamo studiato l’Universo analizzando la luce. Dai telescopi ottici alle antenne radio, dai raggi X ai gamma, ogni nuova finestra elettromagnetica ha ampliato la nostra comprensione del cosmo.
Le onde gravitazionali sono diverse. Non sono luce. Non vengono assorbite dalla polvere, non vengono deviate da campi magnetici, non si fermano davanti a regioni opache. Attraversano indisturbate l’Universo, portando informazioni dirette su ciò che le ha generate.
Nel 2017, con l’evento GW170817, la fusione di due stelle di neutroni fu osservata sia tramite onde gravitazionali sia tramite radiazione elettromagnetica, inclusi raggi gamma rilevati dal telescopio spaziale Fermi Gamma ray Space Telescope. Nacque così l’era dell’astronomia multimessaggera: la possibilità di combinare luce e onde gravitazionali per ottenere un quadro completo degli eventi cosmici.
È come passare dal guardare un film muto al poterlo anche ascoltare: la luce ci mostra la scena, mentre le onde gravitazionali ci raccontano il movimento profondo, la dinamica invisibile della trama del cosmo.
… e di osservarlo in futuro
Oggi, a dieci anni dall’annuncio storico di quel primo rilevamento, i rivelatori hanno osservato decine di fusioni di buchi neri, sistemi misti buco nero–stella di neutroni e nuovi eventi sempre più complessi anche da comprendere. La rete globale si è ampliata, anche grazie alla costruzione e all’avvio delle operazioni dell’interferometro KAGRA in Giappone, e la sensibilità è aumentata.
Eppure siamo solo all’inizio. Le onde gravitazionali potrebbero permetterci di studiare la formazione dei buchi neri primordiali, di testare la Relatività Generale in condizioni estreme, forse persino di indagare le prime frazioni di secondo dopo il Big Bang attraverso un fondo cosmico gravitazionale.
Per farlo ci serviranno gli strumenti del futuro: l’Einstein Telescope, un interferometro europeo sotterraneo con una struttura triangolare che potrebbe essere costruito in Sardegna, e la missione LISA dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), il primo osservatorio per onde gravitazionali nello spazio.
Dieci anni fa abbiamo dimostrato che l’Universo vibra. Oggi sappiamo che quelle vibrazioni sono uno strumento potentissimo per conoscerlo. Uno strumento che non sostituisce i telescopi, li affianca. Per aiutarci a comprendere sempre meglio il cosmo, con tutti i sensi con cui possiamo farlo.
