Captare segnali cosmici finora rimasti fuori dalla portata degli strumenti attuali, utilizzando un rivelatore grande appena poche decine di centimetri. È l’ambizioso obiettivo di TANGO (Transducer Antenna for a Noiseless Gravitational Observatory), un progetto che punta a sviluppare una nuova generazione di strumenti per la rilevazione delle onde gravitazionali, in grado di operare a temperature prossime allo zero assoluto. A guidare il progetto è il ricercatore Matteo Borghesi dell’Università di Milano-Bicocca, che ha ottenuto dall’Unione europea un ERC Starting Grant del valore di 1.499.312 euro. Il finanziamento permetterà di sviluppare la ricerca e di costituire una squadra dedicata di ricercatori.
Le onde gravitazionali sono minuscole perturbazioni dello spazio-tempo generate dagli eventi più violenti ed energetici dell’Universo, come la fusione di buchi neri e stelle di neutroni. Dopo aver attraversato lo spazio per milioni o addirittura miliardi di anni, questi segnali raggiungono la Terra producendo deformazioni estremamente piccole, difficili da rilevare. La loro prima osservazione diretta, nel 2015, ha rappresentato una svolta nella fisica contemporanea: ha confermato una delle più importanti predizioni della teoria della relatività generale di Albert Einstein e ha aperto una nuova finestra sull’Universo. Grazie all’astronomia gravitazionale è infatti possibile osservare eventi cosmici che non emettono necessariamente luce e che, per questo, restano invisibili ai telescopi tradizionali. Da allora sono stati individuati centinaia di segnali provenienti da sorgenti astrofisiche già note. Ma l’esplorazione delle onde gravitazionali è tutt’altro che completa: ampie porzioni del loro spettro restano ancora inesplorate.
È proprio in questo territorio ancora sconosciuto che si concentra TANGO. Il progetto punta a indagare la banda delle onde gravitazionali ad alta frequenza, compresa tra 100 kHz e 10 MHz, una regione nella quale potrebbero celarsi segnali legati a fenomeni ancora non osservati. Tra le possibili sorgenti figurano la materia oscura, i buchi neri primordiali e altri fenomeni fisici che potrebbero mettere alla prova o ampliare le attuali teorie sull’Universo. L’idea alla base di TANGO è dunque ambiziosa quanto innovativa: trasformare la ricerca delle onde gravitazionali ad alta frequenza da una sfida affidata a grandi infrastrutture sperimentali a un campo esplorabile attraverso strumenti estremamente compatti. Un rivelatore che può stare su un tavolo potrebbe così diventare una nuova finestra sui fenomeni più misteriosi del cosmo.
“Questa banda – osserva Matteo Borghesi, ricercatore del Dipartimento di Fisica – è particolarmente interessante perché è relativamente silenziosa: pochissime sorgenti note sono infatti in grado di produrre onde gravitazionali a queste frequenze e, nonostante i crescenti sforzi sperimentali, nessun segnale è stato finora osservato. L’osservazione inequivocabile di un segnale in questa regione rappresenterebbe una scoperta di grande portata, con il potenziale di trasformare la nostra comprensione dell’Universo“.
Il progetto nasce dall’incontro tra due frontiere della ricerca: lo studio delle onde gravitazionali, che indagano i fenomeni più estremi del cosmo, e le tecnologie quantistiche, sviluppate per controllare e misurare la materia alle scale più piccole. Combinando questi due ambiti, TANGO punta a realizzare una nuova generazione di rivelatori di onde gravitazionali estremamente compatti, con dimensioni dell’ordine di poche decine di centimetri e operanti a temperature prossime allo zero assoluto (-273 °C), dove il rumore dovuto all’agitazione termica della materia è drasticamente ridotto.
“Il cuore del rivelatore – spiega Matteo Borghesi, coordinatore del progetto – è costituito da due oscillatori accoppiati: un piccolo cristallo di quarzo e una cavità elettromagnetica superconduttrice. Grazie a tecniche sviluppate nel campo delle tecnologie quantistiche, il sistema elettromagnetico può essere utilizzato per controllare lo stato del cristallo, sottraendo energia alle sue vibrazioni e portandolo a temperature effettive oltre cento volte inferiori a quelle raggiungibili con i sistemi criogenici standard. In queste condizioni il cristallo diventa straordinariamente silenzioso, rendendo possibile distinguere segnali estremamente deboli, come quelli prodotti dal passaggio di un’onda gravitazionale“.
L’Università di Milano-Bicocca consolida il lavoro svolto negli ultimi anni da due delle sue strutture dedicate alla ricerca di frontiera: il BiCoQ, Centro di cosmologia quantitativa, e il BiQuTe, Centro interdipartimentale per le tecnologie quantistiche. In particolare, il progetto TANGO affonda le proprie radici nella linea di ricerca BAUSCIA, Bulk Acoustic Wave Sensors for High-frequency Antennas, del Dipartimento di eccellenza di Fisica.
“TANGO – afferma il prorettore alla Ricerca Leo Ferraris – rappresenta l’evoluzione naturale dell’esperienza maturata sul campo dal nostro ateneo e punta a costruire uno strumento capace di esplorare una regione dell’Universo finora inaccessibile. Il riconoscimento importante, ottenuto da Matteo Borghesi, attesta il carattere innovativo della sua proposta e, in generale, la competitività della ricerca di Milano-Bicocca in un contesto internazionale“.
Dal 2014 l’Università di Milano-Bicocca ha ricevuto finanziamenti per 22 progetti ERC: 7 Starting Grant, compreso quello di TANGO, 9 Consolidator Grant, 2 Advanced Grant, 2 Proof of Concept e 2 Synergy Grant.
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