EINSTEIN TELESCOPE: il futuro sguardo verso le onde gravitazionali

La massa, in un certo senso, guida la curvatura dello spazio-tempo, e quest’ultimo, a sua volta, influisce sulla massa. Questa interazione si manifesta come una curvatura, prevista da Einstein, che si propaga attraverso lo spazio-tempo sotto forma di onde gravitazionali. Di conseguenza, durante la collisione di buchi neri, si genera un’onda derivante dalla coalescenza di due masse, fenomeno non solo ipotizzato ma anche osservato per la prima volta nel 2014.

Come rilevare le onde

I rivelatori di onde gravitazionali, sia quelli attualmente impiegati che quelli in fase di progettazione, si basano sul principio dell’interferometria laser. Questi strumenti, sebbene evoluti, condividono somiglianze con gli interferometri utilizzati nel XIX secolo per verificare la costanza della velocità della luce.

L’apparato è costituito da due bracci ortogonali tra loro, all’interno dei quali viene inviato un raggio di luce. Questo raggio si propaga avanti e indietro lungo i bracci, riflettendosi su specchi, fino a ricongiungersi. L’interferenza risultante da questa sovrapposizione di due raggi di luce consente di estrarre informazioni sulla differenza di percorso compiuto dai due raggi.

Attualmente, questi sofisticati strumenti vengono impiegati per rilevare le onde gravitazionali, una delle più significative previsioni della teoria della relatività generale. L’idea di base è che una perturbazione nel campo gravitazionale generi un’onda che si propaga nello spazio, causandone la deformazione. Quando una distribuzione di massa varia nello spazio, l’informazione relativa a tale cambiamento si traduce in una propagazione d’onda. L’obiettivo principale è rilevare quest’onda per ottenere informazioni dettagliate sugli eventi che si verificano nello spazio distante.

L’interferometro costituisce un prezioso strumento per quantificare la differenza di percorso tra due raggi di luce. Pertanto, se sottoposto all’attraversamento di un’onda gravitazionale, la deformazione dello spazio, manifestata nella variazione della figura di interferenza visualizzata sullo schermo (detector).

A seconda di come avviene quest’onda e dai parametri rilevati dai vari esperimenti, riusciamo a capire il tipo di evento che ha causato l’onda gravitazionale.

A seconda dell’evento abbiamo un’onda gravitazionale corrispondente che lo descrive.

Gli strumenti attuali

Schematica rappresentazione di un interferometro ad L: la sorgente manda un raggio lungo i due bracci e sul rilevatore viene osservata la figura di interferenza.

Per rilevare un’onda gravitazionale e comprenderne le proprietà, ad esempio, la sua provenienza, è essenziale impiegare una rete di rilevatori distribuiti in varie località nel mondo. La raccolta di dati da diverse posizioni sulla Terra è fondamentale per determinare con precisione le caratteristiche dell’onda e la sua origine. La singola informazione ottenuta da un singolo strumento risulta infatti insufficiente per definire la localizzazione della sorgente, poiché la tecnica di “triangolazione” sarebbe impraticabile. Questo concetto è molto simile con il metodo utilizzato nei sistemi GPS, dove la rilevazione della posizione di un dispositivo sulla Terra richiede la cooperazione di diversi satelliti per ottenere  la localizzazione del dispositivo sulla Terra.

Per questo sono stati investiti tempo e risorse per La costruzione di più interferometri. Attualmente, ci sono diversi rivelatori di onde gravitazionali in funzione, tra cui:

1. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory): Questo è uno degli osservatori più noti utilizza due interferometri laser ad L di 4km per rilevare le variazioni dello spazio-tempo causate dalle onde gravitazionali. I due interferometri sono situati a Hanford e Livingston
2. Virgo: situato nel comune di Cascina (Pisa), è  rivelatore di interferometria laser di 3km che collabora con LIGO per aumentare la sensibilità complessiva alla rilevazione delle onde gravitazionali. 
3. KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector):  Situato in Giappone è stato progettato per essere sotterraneo per ridurre le interferenze ambientali.
4. GEO600: Un rivelatore situato in Germania di 600m utilizzato per lo più per i test.
5. LISA (Laser Interferometer Space Antenna): LISA è un progetto spaziale proposto dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) per creare un rivelatore di onde gravitazionali nello spazio. A differenza dei rivelatori terrestri, LISA sarebbe sensibile a onde gravitazionali a frequenze più basse.

Il futuro degli interferometri: Eistein Telescope

La storia di questo progetto ha inizio nel 2004, grazie alla visione di alcuni pionieri che, con straordinario impegno e dedizione, lo hanno guidato verso un percorso europeo che ne ha potenziato il suo sviluppo. Ad oggi, la costruzione dell’apparato sperimentale è prevista per il 2027.

In confronto agli attuali interferometri, ET avrà la capacità di esplorare un volume dell’universo circa mille volte più ampio. Le prospettive che si apriranno con ET, sia in termini di nuove acquisizioni scientifiche che di innovazione tecnologica, lo posizionano come un progetto di punta a livello internazionale.

ET consentirà la rivelazione di fenomeni attesi ma mai osservati in precedenza, come l’emissione continua da stelle di neutroni, le esplosioni di supernove e la misurazione del fondo cosmologico o astrofisico di onde gravitazionali. In particolare, permetterà di studiare i processi di formazione, le caratteristiche e l’evoluzione dei buchi neri. Per tutto questo ET  dovrà essere in grado di misurare variazioni in lunghezza di una frazione di miliardesimo del diametro di un atomo. 

Le tecnologie necessarie per raggiungere la sensibilità richiesta per questo tipo di rivelazioni non sono ancora disponibili. Lo sviluppo di nuove tecnologie risulta essere un elemento imprescindibile per il successo del progetto. Pertanto, si rende necessaria l’istituzione di laboratori specializzati dedicati allo studio del vuoto, della criogenia, dell’elettronica, e così via.

Lo studio preliminare per la progettazione ha richiesto circa 14 milioni di euro che sono stati stanziati nel maggio del 2023. La durata della fase di costruzione è stimata approssimativamente a 9 anni al massimo, ma la definizione dei tempi avverrà in fase di disegno progettuale operativo. 

ET in Sardegna 

La tradizione italiana nelle onde gravitazionali nasce nel gli anni novanta con Virgo.  Che collaborò alla rilevazione della prima onde gravitazionale. Questo, unito alla predisposizione geologica della Sardegna, rende questa regione un luogo ottimale per il nuovo esperimento Einstein Telescope.

Lo scopo è quello di costruire un nuovo interferometro di 10 Km di forma triangolare (anche se l’opzione di costruire un interferometro ad L, come i suoi predecessori, è ancora aperta)  in grado di rilevare onde gravitazionali con maggior precisione. Le migliori tecnologie e condizioni ambientali, permetterebbero agli scienziati di guardare per più tempo, meglio e con migliori capacità. La Sardegna è un ottimo candidata per istallare lo strumento grazie al bassissimo rumore sismico ed alla bassa densità di popolazione. Qualsiasi movimento, infatti, potrebbe rovinare l’esperimento e distruggere ogni sforzo impiegato per costruire degli strumenti con una così alta precisione. 

Ci si propone di costruire 200 m² in superficie per la sala di controllo e 120 m² sotto terra ad una profondità tra i 100 e i 300 m.

Avere un così imponente strumento sul nostro territorio, non porterebbe solo lustro alla nazione ma anche innovazione ed occupazione.

Per la costruzione sono stimate la necessità di 4.000 lavoratori all’anno per i 9 anni di costruzione. In fase di funzionamento sarà necessario un personale altamente qualificato e tecnologie avanzate che dovranno essere sviluppate dai fornitori, che, interfacciandosi con standard internazionali elevati, dovranno realizzare prodotti innovativi che porteranno ad una crescita delle imprese.

La progettazione, inoltre, terrà in conto la sostenibilità ambientale e l’ideazione di buone prassi che potranno essere sfruttate anche al di fuori di questo ambito.

Dagli studi sul territorio sarà possibile migliorare il settore eolico, attraverso il monitoraggio delle vibrazioni che migliorano l’efficienza dell’impianto. La progettazione architettonica degli edifici sono fatte in modo da valorizzare il paesaggio e utilizzare materiali naturali locali per la costruzione

In conclusione questo imponente progetto porterebbe visibilità , turismo , innovazione e scienza nella regione Sardegna. Purtroppo dovremo aspettare il 2025 per sapere chi tra Italia e Olanda (altro paese candidato per ospitare lo strupento) avrà questo onore. La comunità scientifica italiana è certamente speranzosa di accaparrarsi questo progetto, per confermarci come un paese di punta nella ricerca, degno dei grandi nomi del passato.

Federica De Riggi

Laureata in fisica a Roma mi sono specializzata in fisica delle particelle ad alte energie, collaborando con gli esperimenti di LHC. Mi diletto in arti figurative e grafiche e mi diverto sfruttando questa passione per sintetizzare concetti che si astraggono dietro delle formule. Nel mio percorso ho capito che nulla è difficile una volta compreso. Le giuste parole sbloccano un percorso nella mente di chi ascolta e solo percorrendo quel percorso un concetto resterà impigliato addosso. Da qui il potere delle parole.