spazio e scienza

Advanced VIRGO, inaugurato l’interferometro gravitazionale di seconda generazione

Advanced VIRGO

We detected for the first time gravitational waves”. L’annuncio storico arriva in tutto il mondo alle 16.30, ora italiana, dell’11 febbraio 2016. “Abbiamo visto le onde21-fulvio_ricci4 gravitazionali”. In diretta dall’Osservatorio gravitazionale europeo (Ego) di Cascina, in provincia di Pisa, a dare la notizia che rivoluzionerà l’approccio allo studio dell’Universo è Fulvio Ricci, portavoce del progetto internazionale Virgo, a cui l’Italia partecipa con l’Istituto nazionale di Fisica Nucleare (Infn). 

Il primo segnale delle onde gravitazionali ad essere captato è stato generato dalla collisione di due buchi neri, collisione avvenuta un miliardo di anni fa. Lo strumento Ligo- Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory – ha drizzato le antenne e lo ha catturato dagli Stati Uniti il 14 settembre 2015, per poi riuscire ad interpretarlo grazie alla collaborazione con Virgo, rivelatore interferometrico di onde gravitazionali, che si trova proprio a Cascina.



A poco più di un anno da questo fondamentale traguardo, alle 11.13 del 20 febbraio 2017, Advanced VIRGO – di cui l’Italia con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è tra i fondatori – è stato ‘acceso’ nella camera di controllo dell’European Gravitational Observatory (EGO).

E così, dal pannello che mostrava le cavità dell’interferometro, il pubblico ha potuto vedere come l’intensità delle luci aumentasse progressivamente, aumentando così anche la potenza del rivelatore.  

Fino a stabilizzarsi: in questo momento Advanced VIRGO ha preso davvero vita, entrando ufficialmente nella fase di tuning-up che nelle prossime settimane lo porterà a unirsi ai due interferometri americani Advanced LIGO.

Comunicato INAF – Cascina (Pisa) – È stato inaugurato ieri, 20 febbraio, allo European Gravitational Observatory (EGO), Advanced Virgo, l’interferometro gravitazionale di seconda generazione, di cui l’Italia con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) è tra i fondatori. Advanced Virgo ha ultimato la fase di costruzione ed è entrato nella fase di tuning-up, in cui sta calibrando e mettendo a punto tutti i suoi strumenti. Nei prossimi mesi sarà pronto a unirsi ai due interferometri statunitensi LIGO: comincerà il primo ciclo di presa dati per fare fisica nel nuovo campo dell’astronomia gravitazionale, aperto un anno fa dalla scoperta delle onde gravitazionali.

Celebriamo oggi un risultato importante, frutto del lavoro di molti anni”, sottolinea Giovanni Losurdo, ricercatore INFN project leader di Advanced Virgo. “Virgo è cresciuto, – prosegue Losurdo – è diventato un rivelatore di seconda generazione e presto sarà pronto a entrare in network con i due LIGO.” “Inizia un processo che durerà decenni e che porterà a un progressivo miglioramento della nostra capacità di osservare l’universo attraverso le onde gravitazionali: di questo momento storico Virgo è uno dei protagonisti”, conclude Losurdo.

Un bellissimo esempio di collaborazione-competizione quello di LIGO e Virgo”, sottolinea Fernando Ferroni, presidente dell’INFN. “Ora si stanno completando gli ultimi passi per avere una rete di interferometri che sarà in grado di dirci non solo che da qualche parte dell’universo è successa una catastrofe spettacolare, ma addirittura dove è avvenuta con una buona precisione”. “Lo studio dell’astronomia gravitazionale, complementare a quella fatta con tutti gli altri messaggeri cosmici, oggi vede un nuovo potente strumento entrare in scena”, conclude Ferroni.


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Dal 2011 al 2017 la fisica della gravitazione ha subito un’accelerazione strabiliante: la nascita della collaborazione globale LIGO-Virgo, la costruzione degli interferometri di seconda generazione, la prima rivelazione delle onde gravitazionali, e ora la fine della costruzione di Advanced Virgo”, commenta Federico Ferrini, direttore di EGO. “A breve saremo operativi, insieme ai colleghi di LIGO che attendono con la stessa nostra trepidazione il completamento della messa a punto del nostro interferometro, perché tre macchine sono indispensabili per poter procedere con programmi scientifici veramente significativi, ed esplorare orizzonti ancora incogniti”, conclude Ferrini.

Advanced Virgo è il progetto di potenziamento dell’interferometro Virgo con l’obiettivo di migliorarne la sensibilità di un fattore 10 e, di conseguenza, consentire l’esplorazione di un volume di cosmo 1000 volte maggiore che in precedenza. Dopo 5 anni di lavoro (dal 2012 al 2016) e un investimento di 23,8 milioni di euro, come da previsione di budget, di cui 21,8 finanziati al 50% dall’INFN e dall’altro istituto fondatore, il francese Centre Nationale de la Recherche Scientifique (CNRS), e 2 milioni dall’olandese Nikhef, Advanced Virgo ha previsto modifiche dell’apparato di ottica con specchi più pesanti e performanti, un’elettronica nuova e più potente, un sofisticato sistema di compensazioni delle aberrazioni, un sistema di isolamento sismico ulteriormente potenziato, sistemi di smorzamento della luce diffusa e un miglioramento del sistema di vuoto.

Ora, nella sua configurazione Advanced, Virgo sarà in grado di guardare gli ultimi istanti di vita di una coppia di stelle compatte, come le stelle di neutroni, o di buchi neri che ruotano l’uno attorno all’altro sempre più vicini fino a fondersi in un unico oggetto più massivo, come è accaduto nel caso della prima rivelazione delle onde gravitazionali da parte dei due interferometri statunitensi LIGO, il 14 settembre 2015.

Le prime osservazioni di eventi di onde gravitazionali da due sistemi di buchi neri hanno inaugurato un nuovo capitolo della fisica fondamentale”, spiega Fulvio Ricci, che guida la collaborazione Virgo. “Con il completamento del progetto Advanced Virgo ora si entra nell’era della nuova astronomia gravitazionale, grazie alle proprietà di localizzazione nel cielo della rete planetaria di rivelatori LIGO-Virgo: si tratta di un nuovo grande salto in avanti verso l’esplorazione del nostro universo”, conclude Ricci.

La storia di Virgo inizia concettualmente alla metà degli anni ’80, per iniziare a concretizzarsi poi alla metà degli anni ’90, grazie alla fermezza visionaria dei due padri fondatori, Adalberto Giazotto e Alain Brillet, in un progetto finanziato da Italia e Francia. Nel 2000, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e il Centre Nationale de la Recherche Scientifique (CNRS) fondano, infatti, il consorzio italo-francese EGO, European Gravitational Observatory, che ha permesso la costruzione dell’infrastruttura e la realizzazione dell’interferometro Virgo. Nel corso degli anni, i successi scientifici e tecnologici raggiunti dal progetto Virgo sono stati così significativi da attrarre nella collaborazione Virgo gli scienziati di altri 4 Paesi europei: così oggi alla collaborazione Virgo, oltre a INFN e CNRS, partecipano Nikhef (Olanda), Polgraw-Polish Academy of Science (Polonia), Wigner Institute (Ungheria) e Universitat de València (Spagna).

Nel 2007, le collaborazioni scientifiche LIGO (cui fanno capo i due interferometri americani) e Virgo hanno sottoscritto un accordo che prevede la condivisione e lo scambio di soluzioni tecnologiche, il coordinamento nelle campagne di presa dati e la condivisione e l’analisi congiunta dei dati. LIGO e Virgo lavorano quindi come se fossero un’unica collaborazione scientifica globale.

Questa collaborazione è fondamentale, anche perché avere più interferometri attivi in contemporanea permette di risalire alla direzione i provenienza dell’onda gravitazione, e quindi di localizzare la sorgente, e di puntare telescopi di altro tipo per identificare l’eventuale controparte elettromagnetica. Per questo motivo gli interferometri gravitazionali lavorano in rete e operano come se fossero un unico grande esperimento, distribuito in varie parti del pianeta. Oltre ai due LIGO negli Stati Uniti e Virgo in Italia, è in fase di realizzazione l’interferometro KAGRA, in Giappone, che entrerà in funzione nel 2019.

Il successo raggiunto dagli interferometri con la prima rivelazione delle onde gravitazionali da parte di LIGO, scoperta annunciata dalle collaborazioni scientifiche LIGO e Virgo nel corso di due conferenze stampa congiunte da Washington e da Cascina l’11 febbraio 2016, ha permesso di verificare la correttezza di alcune brillanti idee dei pionieri di questi strumenti: in particolare, l’importanza di andare a cercare le onde gravitazionali nella regione di bassa frequenza, idea proprio di Giazotto e Brillet. 

La storica scoperta delle onde gravitazionali ha aperto una nuova finestra osservativa sul nostro universo, dando così inizio all’astronomia gravitazionale che ci consente uno straordinario balzo in avanti nelle possibilità osservative del cosmo: è come se finora avessimo guardato il nostro universo attraverso radiografie, mentre ora siamo in grado di farne l’ecografia.  

In questa lunga storia di una sfida scientifica e tecnologica che ci ha spinti oltre i limiti delle nostre conoscenze, l’Italia, forte della sua scuola che ha avuto in Edoardo Amaldi uno dei suoi fondatori, e grazie all’impegno dell’INFN e all’eccellenza dei suoi ricercatori, ha dato un contributo fondamentale, riconosciuto a livello internazionale, anche dal fatto che molti scienziati italiani hanno assunto o tuttora ricoprono incarichi di responsabilità.


Onde Gravitazionali – LA STORIA (a cura dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – INFN)

Inghilterra, 1685: Isaac Newton ipotizza che un’unica forza universale sia responsabile della caduta degli oggetti e del moto dei pianeti. La chiama gravità. Per sfuggire all’attrazione gravitazionale della Terra è necessaria una velocità di fuga di circa 40.000 km/h.

Inghilterra, 1783: il reverendo John Michell ipotizza, sulla base delle leggi di Newton, che la velocità di fuga di una stella molto più massiccia e compressa del Sole possa superare la velocità della luce. Neanche la luce, quindi, può sfuggire al campo gravitazionale di questi oggetti che Michell chiama “stelle nere”.

Francia, 1797: lo scienziato e matematico Pierre Simon de Laplace offre la dimostrazione matematica dell’esistenza delle stelle nere di Michell, che Laplace chiama oggetti invisibili.

Svizzera, 1915: Albert Einstein formula la teoria della Relatività Generale, che descrive lo spazio e il tempo come un unico oggetto quadridimensionale curvo. La gravità non è una forza a distanza ma una deformazione dello spaziotempo creata da un oggetto massiccio.

Germania, 1916: il fisico Karl Schwarzschild determina una particolare soluzione delle equazioni di Einstein della Relatività Generale, in grado di descrivere il campo gravitazionale degli oggetti che oggi chiamiamo buchi neri.

Brasile, 1919 l’astrofisico inglese Arthur Eddington conferma le predizioni della Relatività Generale verificando durante un’eclissi totale di Sole che il cammino dei raggi luminosi delle stelle è deviata dalla gravità del Sole.

Germania, 1958: basandosi sulla soluzione di Schwarzschild, il fisico David Finkelstein prevede che una porzione dello spaziotempo possa deformarsi al punto da creare un pozzo gravitazionale al quale nessun oggetto può sfuggire.

USA 1963: Il matematico neozelandese Roy Kerr estende la soluzione di Schwarzschild al caso di un oggetto massiccio in rotazione

USA, 1967: riferendosi al pozzo di Finkelstein e alla soluzione di Schwarzschild, il fisico John Wheeler conia durante una conferenza a New York, il termine buco nero.

Inghilterra, 1975: applicando la meccanica quantistica e la termodinamica, Stephen Hawking e Jacob Bekenstein mostrano che, irradiando lentamente energia, i buchi neri non sono del tutto “neri”. È la nascita della dibattuta radiazione di Hawking.

USA-Europa 2016: gli scienziati della collaborazione LIGO-VIRGO rivelano per la prima volta le onde gravitazionali, fornendo la prima evidenza diretta dell’esistenza dei buchi neri, e aprendo così la strada al loro studio dettagliato

Ero fuori di me per la gioia e l’eccitazione“. Con queste parole, indirizzate all’amico fisico Paul Ehrenfest, Albert Einstein descrive l’emozione, con tanto di palpitazioni al cuore, provata esattamente un secolo fa dopo avere trovato la conferma sperimentale, la prima di una lunga serie, alla sua teoria della Relatività Generale.