Il 3 ottobre 2017 il Nobel che ha dato voce alle onde gravitazionali

Il 3 ottobre 2017 la fisica fece un passo storico. La Reale Accademia Svedese delle Scienze annunciò l’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica a Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne, premiati “per i contributi decisivi al rivelatore LIGO e all’osservazione delle onde gravitazionali“. Il riconoscimento arrivava poco più di 2 anni dopo una scoperta destinata a cambiare il modo in cui osserviamo il cosmo: il 14 settembre 2015, i 2 rivelatori LIGO negli Stati Uniti avevano registrato per la prima volta direttamente un’onda gravitazionale. Il segnale era stato prodotto dalla fusione di 2 buchi neri avvenuta a circa 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra.

Increspature nello spazio-tempo

Per capire l’importanza della scoperta bisogna tornare ad Albert Einstein e alla relatività generale. Secondo la teoria, formulata all’inizio del Novecento, lo spazio e il tempo non sono realtà separate, ma formano un’unica struttura: lo spazio-tempo. Quando oggetti estremamente massicci accelerano in determinate condizioni – per esempio quando 2 buchi neri orbitano l’uno attorno all’altro e infine si fondono – possono produrre vere e proprie increspature dello spazio-tempo: le onde gravitazionali. Queste onde viaggiano alla velocità della luce: quando raggiungono la Terra, però, sono diventate incredibilmente deboli. La loro capacità di deformare lo spazio è talmente piccola da risultare praticamente impercettibile. Ed è proprio qui che si trovava la straordinaria difficoltà dell’impresa scientifica.

Un gigantesco strumento laser

LIGO, acronimo di Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, è stato progettato per rilevare proprio queste minuscole deformazioni. Il principio può sembrare semplice, anche se la sua realizzazione è tutt’altro che semplice: ogni rivelatore utilizza due lunghi bracci perpendicolari, lunghi circa 4 km, all’interno dei quali viaggiano fasci laser. Gli strumenti confrontano continuamente il comportamento della luce nei due percorsi. Quando un’onda gravitazionale attraversa il rivelatore, uno dei bracci viene leggermente allungato mentre l’altro viene leggermente accorciato. La variazione è minuscola, ma sufficiente, in condizioni estremamente controllate, a lasciare una traccia nel segnale laser.

La difficoltà consiste anche nel distinguere un’autentica onda gravitazionale dalle vibrazioni provocate dall’ambiente terrestre. Per questo LIGO dispone di 2 osservatori separati negli Stati Uniti, a circa 3mila km di distanza: la presenza di un segnale quasi identico nei 2 strumenti permette di aumentare la fiducia che si tratti di un fenomeno cosmico e non di un disturbo locale.

Quarant’anni di lavoro

Il Nobel del 2017 non premiò una scoperta nata improvvisamente, ma decenni di ricerca e sviluppo. Già negli anni ’70 Rainer Weiss aveva studiato i problemi legati al rumore che avrebbe potuto compromettere una simile misurazione e aveva elaborato il progetto di un interferometro laser capace di affrontarli. Kip Thorne, fisico teorico, contribuì allo sviluppo scientifico e alla costruzione della collaborazione LIGO. Barry Barish, a partire dagli anni Novanta, ebbe invece un ruolo fondamentale nell’ampliamento e nell’organizzazione del progetto, trasformandolo da una collaborazione relativamente piccola in una grande iniziativa internazionale. LIGO sarebbe diventato infatti un progetto internazionale al quale partecipavano oltre mille ricercatori provenienti da più di 20 Paesi.

Una nuova finestra sull’Universo

Per secoli l’astronomia ha osservato il cosmo soprattutto attraverso la luce e altre forme di radiazione elettromagnetica. Le onde gravitazionali offrono qualcosa di diverso: permettono di studiare direttamente le perturbazioni dello spazio-tempo generate da alcuni degli eventi più estremi dell’Universo. La prima osservazione del 2015 fu quindi molto più della conferma dell’esistenza delle onde gravitazionali. Fu l’inizio di una nuova forma di astronomia, capace di studiare fenomeni altrimenti difficili o impossibili da osservare. Il Nobel annunciato il 3 ottobre 2017 celebrò proprio questa svolta: Weiss ricevette metà del premio, mentre l’altra metà fu assegnata congiuntamente a Barish e Thorne.