Perché la Sardegna è il luogo ideale per ospitare l'Einstein Telescope

AGI - Lo scorso 7 giugno l'Italia si è candidata a ospitare l'Einstein Telescope, una gigantesca struttura di ricerca che ha tra i suoi ambiziosi obiettivi risolvere il mistero della materia oscura, scoprire come si sono formati buchi neri al centro delle galassie e mettere alla prova la teoria della relatività generale di Albert Einstein. Come possibile sede è stata individuata la miniera dismessa di Sos Enattos a Lula, in provincia di Nuoro. E l'Italia è già in prima linea nel progetto, con il coinvolgimento di oltre 80 ricercatori dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) in un progetto che vale 1,9 miliardi di euro di investimento totale. Abbiamo intervistato Enzo Brocato, direttore dell'INAF - Osservatorio Astronomico d'Abruzzo, per domandargli quali nuove frontiere si apriranno per l'osservazione spaziale e perché il sito sardo è così adatto ad accogliere questo rivoluzionario strumento.

Cosa rende il sito di Lula così adatto all'installazione della struttura? Quali sono, al momento, i "concorrenti" più temibili?

"Raggiungere la sensibilità prevista di Einstein Telescope (ET) richiederà spingere le tecnologie utilizzate (ottica, criogenia, isolamento sismico, rumore termico dei meccanismi di sospensione degli specchi, sistemi di vuoto, etc) ai loro limiti estremi. Per utilizzare al meglio questo enorme impegno, è necessario che ET sia posizionato in un sito con particolari condizioni di stabilità geologica, con specifiche caratteristiche della roccia e con precisa valutazione della presenza di acqua nel sottosuolo. In sintesi, un ambiente estremamente ‘tranquillo’ a qualche centinaio di metri sotto la superficie terrestre, in un luogo dove i terremoti siano rarissimi e il rumore dovuto alle attività umane sia minimo. Inoltre, l’impatto socio-economico sul territorio deve essere tenuto in grande considerazione. Dunque, il sito di Lula con le sue miniere è sembrato sin da subito particolarmente adatto ad ospitare ET. L’altro sito in concorrenza con Lula si trova al confine tra Olanda, Belgio e Germania. La valutazione di questi siti è un lavoro che viene portato avanti con grandissima attenzione per poter identificare quello che ha le caratteristiche migliori per rendere possibile raggiungere gli obiettivi scientifici per cui ET viene costruito".

In cosa consisterebbero le sinergie con il radiotelescopio SRT già presente in Sardegna? Può dirci qualcosa di più su quest'ultimo strumento?

"Le osservazioni nella banda radio sono particolarmente interessanti in quanto riguardano l’interazione tra l’energia emessa durante l’evento di coalescenza di due stelle di neutroni ed il mezzo presente intorno ad esse. Il radiotelescopio SRT già oggi fa parte della rete di telescopi che la Collaborazione GRAWITA (GRAvitational Wave Inaf TeAm) utilizza per osservare nelle bande elettromagnetiche (radio, infrarosso, ottico, ultravioletto, raggi X e gamma) le controparti di sorgenti di onde gravitazionali misurate in dai precursori di ET: gli interferometri LIGO (USA) e Virgo (Italia). Inoltre, SRT svolge osservazioni per rilevare e studiare le onde gravitazionali nell'ambito della collaborazione EPTA (European Pulsar Timing Array). Osservando i segnali radio di un network di pulsars (stelle di neutroni singole altamente magnetizzate che ruotano velocemente) si possono misurare onde gravitazionali generate da sistemi binari di buchi neri supermassicci nella fusione di due galassie".

In che modo la verifica dell'esistenza delle onde gravitazionali rappresenta il tassello mancante alla verifica sperimentale della Teoria della Relatività Generale?

"Più che di tassello mancante parlerei della spettacolare capacità della Teoria della Relatività di descrivere la natura con grande precisione. Questa teoria sviluppata da Albert Einstein è stata verificata nel passato dallo studio dell’orbita di Mercurio, dalla deflessione della luce osservata da Sir Eddington nel 1919 e una misura indiretta dell’esistenza delle onde gravitazionali è stata fatta dai premi Nobel Hulse e Taylor osservando per diversi anni una pulsar binaria verso la fine degli anni ’70. Oggi gli interferometri di LIGO (Hanford e Livingston, USA) e Virgo (Cascina, Italia) sono in grado di misurare direttamente le onde gravitazionali generate, ad esempio, da due buchi neri (o due stelle di neutroni) che dopo aver spiraleggiato l’uno intorno all’altro si fondono formando un unico buco nero (fenomeno detto coalescenza). Le equazioni di Einstein descrivono perfettamente questo tipo di evento e l’energia emessa sotto forma di onde gravitazionali che, dopo aver viaggiato per moltissimi anni alla velocità della luce, vengono misurate qui sulla terra. Dunque, le onde gravitazionali rappresentano un nuovo ed eccezionale ‘messaggero’ per studiare l’universo che si affianca a quello tradizionale: la luce osservata con telescopi in tutte le bande elettromagnetiche.

Einstein Telescope avrà una accuratezza dieci volte maggiore rispetto agli attuali rilevatori. Sono già stati identificati dei settori di osservazione particolarmente promettenti che però non sono studiabili con gli strumenti attuali?

Si, Einstein Telescope avrà un impatto rivoluzionario in diversi settori. Ecco alcuni esempi.

ET misurerà un enorme numero di onde gravitazionali (circa 105 – 106 eventi per anno!) prodotte dalla coalescenza di due buchi neri fino distanze cosmologiche (redshift circa 20 e oltre). In questo modo gli astrofisici disporranno di una sorta di stratigrafia ‘archeologica’ della popolazione di buchi neri, attraverso tutte le epoche dal Big Bang ad oggi, che consentirà di capire quale sia la loro origine (primordiali o originati dal collasso di stelle?) ma anche come si siano formati ed evoluti i buchi neri di origine stellare in sistemi binari. Grazie alla sua eccezionale sensibilità ET consentirà di misurare con grande precisione le masse dei buchi neri e scoprire quelli con massa da centinaia a migliaia di volte la massa del sole e capire finalmente se sono questi i ‘cuccioli’ da cui si sono formati i buchi neri supermassicci che troviamo nel centro delle galassie.
ET osserverà altrettanti eventi di coalescenza di due stelle di neutroni che ci daranno l’opportunità di osservare contemporaneamente l’energia emessa sotto forma di luce e di onde gravitazionali. Questa combinazione è una fucina di scoperte ed è il campo di studio della Astrofisica Multi-Messaggera nata il 17 agosto 2017 con l’osservazione (ancora unica ad oggi) di luce e onde gravitazionali emessi dalla stessa sorgente astrofisica. Ad esempio, sono attese scoperte cruciali nel campo della nucleosintesi (sono questi i luoghi preferenziali per la formazione gli elementi pesanti come oro e platino?) e della fisica dei getti (jets) di particelle espulse a velocità relativistiche e dati unici per capire come è composta la materia nella parte più interna di queste stelle dove si raggiungono densità elevatissime, superiori a 1015 g/cm3.

Molti altri settori saranno fortemente influenzati da ET come la fisica fondamentale o test estremamente accurati della Relatività Generale, ma forse l’opportunità più intrigante è quella della scoperta di nuove sorgenti di onde gravitazionali alcune completamente sconosciute altre previste dalla teoria della Relatività Generale come stelle di neutroni isolate durante la loro rotazione o, addirittura, da stelle di neutroni che oscillano a seguito di uno “stellamoto” o il collasso del nucleo di supernovae.

I ricercatori dell'Inaf hanno un ruolo rilevante nel progetto Einstein Telescope. Può approfondire?

Al momento oltre 80 ricercatori dell’INAF fanno parte della Collaborazione Einstein Telescope. Gli interessi principali riguardano i diversi settori dell’astrofisica che saranno protagonisti delle misure di onde gravitazionali di ET. I ricercatori INAF ricoprono anche l’incarico di responsabili di alcune divisioni dello “Observational Science Board” (OSB) nella Collaborazione. Certamente, le osservazioni multi-messaggere sono il settore di maggiore interesse e in questo ambito si elaborano sia le simulazioni per stimare la popolazione di eventi attesi che le strategie osservative per identificare nel cielo ed osservare con i telescopi del futuro la luce della controparte degli eventi misurati da ET. Inoltre, si studiano il collasso di stelle massicce e le stelle di neutroni isolate per riconoscere questi eventi tra le onde gravitazionali misurate con la sensibilità unica di ET e i modelli teorici astrometrici di Relatività Generale. Sul lato tecnologico, uno dei contributi più rilevanti riguarda il sistema di vuoto per i tubi dei diversi bracci degli interferometri.