Premiati Barry Barish, Kip S. Thorne e Rainer Weiss: contributo decisivo dell’Italia con VIRGO
STOCCOLMA – Il Premio Nobel per la Fisica 2017 è stato assegnato a Barry Barish e Kip S. Thorne, entrambi di Calthech, e Rainer Weiss del MIT, per il loro ruolo nella scoperta delle onde gravitazionali, come promotori e fondatori degli strumenti LIGO (Interferometer Gravitational-Wave Observatory), grazie ai quali è stata realizzata, il 14 settembre 2015, la prima misura di onde gravitazionali, a un secolo dalla loro previsione teorica nella Relatività Generale di Albert Einstein.
“Premiata la scoperta del secolo, realizzata dopo un secolo di attesa: giusto riconoscimento a chi con tenacia ha, per oltre vent’anni, inseguito il visionario progetto di riuscire a captare il debolissimo segnale generato da un catastrofico evento avvenuto lontano, nel cosmo”, commenta Fernando Ferroni, presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN.
“Ci congratuliamo con i vincitori del Premio Nobel e con tutti coloro che negli anni hanno lavorato strenuamente per raggiungere questo importante risultato della Fisica, tra cui molti italiani, primo fra tutti Adalberto Giazotto, che ha dato un contributo fondamentale, individuando nella capacità di rivelare segnali a bassa frequenza la chiave del successo, e che già nel 2001 aveva proposto di realizzare una rete mondiale di interferometri”, conclude Ferroni.
L’annuncio della storica scoperta delle onde gravitazionali è stato dato dalle collaborazioni scientifiche LIGO e VIRGO, alla quale l’Italia partecipa con l’INFN, l’11 febbraio 2016, nel corso di due conferenze stampa congiunte, negli Stati Uniti a Washington nella sede della National Science Foundation (NSF), che finanzia il progetto LIGO, e in Italia a Cascina, dove si trova lo European Gravitational Observatory (EGO), che ospita e gestisce l’interferometro VIRGO.
La prima rivelazione delle onde gravitazionali era avvenuta il 15 settembre 2015 a opera degli interferometri gemelli Advanced LIGO, negli Stati Uniti. Nel corso del successivo periodo di osservazione, altre due rivelazioni sono state annunciate.
Dal 1° agosto 2017, l’interferometro VIRGO si è unito ai due LIGO nella presa dati: questo ha portato a una nuova osservazione di onde gravitazionali, annunciata il 27 settembre 2017, nel corso di una conferenza stampa congiunta delle collaborazioni LIGO-VIRGO che si è tenuta nell’ambito del G7 Scienza a Torino.
Con questa prima rivelazione a tre strumenti, che consente di localizzare la sorgente delle onde gravitazionali con inedita precisione, siamo così entrati nel vivo dell’era dell’astronomia gravitazionale, un modo completamente nuovo per studiare il nostro universo.
“Come collaborazione VIRGO accogliamo con entusiasmo la notizia del conferimento del Premio Nobel per la Fisica 2017 a Kip Thorne, Rainer Weiss e Barry Barish: la prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali annunciata dalle collaborazioni LIGO e VIRGO rappresenta uno dei risultati più importanti nella storia della Fisica, e segna l’inizio di una nuova scienza, l’astronomia gravitazionale”, spiega Gianluca Gemme, che coordina la partecipazione nazionale dell’INFN al progetto VIRGO.
“Il premio – prosegue Gemme – è un riconoscimento al talento individuale e al lavoro collettivo di oltre mille fisici, ingegneri e tecnici, provenienti da ogni parte del mondo”.
“L’Italia e i suoi centri di ricerca hanno avuto un ruolo di primissimo piano nella scoperta delle onde gravitazionali grazie al progetto VIRGO, nato dall’idea di Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet”.
“VIRGO ha rappresentato un grande passo avanti nella tecnologia degli interferometri: è stato, infatti, il primo rivelatore al mondo capace di scendere alle basse frequenze, aprendo la strada all’americano Advanced LIGO. Adalberto Giazotto è stato inoltre il pioniere dell’idea della rete globale di rivelatori, che da oltre un decennio, grazie alla stretta collaborazione tra LIGO e VIRGO, è diventata una realtà e ha contribuito in maniera determinante alla scoperta che oggi viene celebrata”, conclude Gianluca Gemme.
“L’intera collaborazione VIRGO si congratula e festeggia con Ray, Kip e Barry”, commenta Fulvio Ricci, ricercatore INFN e professore alla Sapienza Università di Roma, che era alla guida della collaborazione VIRGO quando è stata realizzata la scoperta. “Hanno giocato un ruolo cruciale in questa scoperta. La prima rivelazione diretta di un segnale di onda gravitazionale è la fine di un lungo processo. Loro hanno contribuito con idee e azioni originali, che ci hanno permesso di raggiungere questo risultato, una pietra miliare nella storia della fisica moderna”, conclude Ricci.
“Questo premio è uno straordinario riconoscimento per un’intera comunità”, commenta Giovanni Losurdo, ricercatore INFN responsabile del progetto Advanced VIRGO, che ha consentito all’esperimento europeo di unirsi ai due LIGO.
“Una comunità – prosegue Losurdo – che, per decenni, ha perseguito una linea di ricerca del tutto nuova realizzando macchine come LIGO e VIRGO, e che è stata in grado di aprire una nuova finestra osservativa sul cosmo: un contributo non solo scientifico, ma al patrimonio culturale universale”. “Siamo appena all’inizio di una nuova avventura, di cui l’INFN e l’Italia sono tra i protagonisti. Altre scoperte da Nobel per la Fisica certamente seguiranno nei prossimi anni”, conclude Losurdo.
“L’attribuzione del premio Nobel per la Fisica 2017 agli iniziatori della moderna ricerca delle onde gravitazionali – commenta Federico Ferrini, direttore di EGO – è un chiaro riconoscimento agli scienziati che in tutto il mondo hanno lavorato con idee innovative e originali in questo settore per decenni, ma è anche un forte incentivo per le prospettive di conoscenza dell’universo con questo nuovissimo strumento di indagine, che ora vede l’Europa e l’Italia in prima fila con l’interferometro Advanced VIRGO”, conclude Ferrini.
La scoperta da Premio Nobel per la Fisica
Le onde gravitazionali, rivelate il 14 settembre 2015, come spiega l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in un approfondimento, sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri in un unico buco nero ruotante più massiccio. Questo processo era stato previsto ma mai osservato prima, e ci dà anche conferma dell’esistenza di buchi neri di massa stellare con massa superiore alle 25 masse solari. L’osservazione delle onde gravitazionali è stata realizzata dalle Collaborazioni Scientifiche LIGO e VIRGO, grazie ai dati dei due rivelatori gemelli LIGO negli Stati Uniti, a Livingston, in Louisiana, e a Hanford, nello stato di Washington. La scoperta delle onde gravitazionali ci apre un’inedita visione del nuovo universo: nasce, infatti, l’astronomia gravitazionale. È come se fino ad ora avessimo osservato il cosmo attraverso radiografie, mentre ora siamo in grado di fare l’ecografia del nostro universo.
A 100 anni dalla Relatività Generale
Le onde gravitazionali sono una delle conseguenze della teoria della Relatività Generale, pubblicata da Albert Einstein circa un secolo fa, alla fine del 1915. Le onde gravitazionali sono perturbazioni del campo gravitazionale, “increspature” del “tessuto” dello spaziotempo, che permea tutto il nostro universo. Sono generate dai più violenti fenomeni astrofisici che avvengono nel cosmo, come la fusione di stelle di neutroni e di buchi neri, o l’esplosione di stelle massicce come supernovae. Si propagano alla velocità della luce, portando intatte fino a noi informazioni sulle loro sorgenti. Soltanto negli ultimi decenni abbiamo acquisito le tecnologie necessarie per costruire strumenti sufficientemente sensibili per la rivelazione diretta delle onde gravitazionali sulla Terra.
Gli autori della scoperta: una collaborazione globale
A realizzare questa scoperta sono state le collaborazioni scientifiche LIGO e VIRGO. Tra esse, vi è un accordo, operativo dal 2007 ed esteso nel 2014, che prevede la condivisione e lo scambio di soluzioni tecnologiche, il coordinamento nelle campagne di raccolta dati, la condivisione e l’analisi congiunta dei dati: i due gruppi di scienziati lavorano come un’unica grande collaborazione globale. Le collaborazioni scientifiche LIGO e VIRGO fanno capo ai laboratori statunitensi di LIGO, e allo European Gravitational Observatory (EGO), in Italia, a Càscina, vicino a Pisa, responsabile della gestione e del funzionamento dell’interferometro VIRGO, e fondato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese.
Tecnologia d’avanguardia
Rivelare le onde gravitazionali è un’impresa complessa perché l’interazione gravitazionale è la più debole dell’universo. I fisici hanno così progettato speciali rivelatori, la cui realizzazione ha richiesto di spingere le tecnologie oltre i limiti. Si tratta degli interferometri laser, come LIGO e VIRGO, costituiti da due bracci perpendicolari lunghi chilometri (4 km nel caso di LIGO e 3 km di VIRGO), al cui interno scorrono due fasci laser che vengono riflessi più volte da specchi per aumentarne la lunghezza del percorso. Infine, vengono ricombinati a formare una figura di interferenza.
Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro produce una variazione nella lunghezza dei bracci, uno si allunga mentre l’altro si accorcia. Queste variazioni di lunghezza, che sono molto più piccole del diametro del nucleo di un atomo, producono uno sfasamento della luce laser che viene osservato dal rivelatore.
La realizzazione dell’esperimento richiede particolari condizioni: dall’ultraalto vuoto dei tubi dove corre il laser per limitare la presenza di gas residuo che perturberebbe la misura; agli specchi con irregolarità superficiali ridotte a frazioni di nanometro; al fiore all’occhiello dell’esperimento: i superattenuatori, ammortizzatori collegati in fila a formare una catena di pendoli, che costituiscono un sofisticatissimo sistema di isolamento sismico.
EGO e VIRGO
L’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO), fondato dall’INFN e dal CNRS francese, è responsabile per il funzionamento e la gestione di VIRGO. EGO è condotto e finanziato dall’INFN e dal CNRS, con il contributo di Nikhef (Paesi Bassi), e in collaborazione con POLGRAW-Polska Akademia Nauk (Polonia), Wigner Institute (Ungheria) e l’Università di Valencia (Spagna). La collaborazione scientifica VIRGO è un gruppo internazionale di ricercatori, ingegneri e tecnici che ha lavorato alla costruzione, test e funzionamento dell’interferometro VIRGO, nonché al suo miglioramento, progetto chiamato Advanced Virgo, che ha lo scopo di studiare la fisica delle onde gravitazionali e il loro impiego in astronomia.
La collaborazione conta oggi circa 250 fisici e ingegneri, di cui la metà dell’INFN, provenienti da 19 laboratori europei. Advanced VIRGO è entrato in attività il 1 agosto 2017, unendosi ai due rivelatori LIGO nelle campagne di presa dati.
Grazie ad Advanced Virgo, la sensibilità dello strumento è aumentata di dieci volte, questo significa che è in grado di osservare fino a distanze dieci volte maggiori, cioè può studiare un volume di universo mille volte più grande di quello accessibile inizialmente con VIRGO. Advanced VIRGO è sensibile a onde gravitazionali in un vasto intervallo di frequenze: da 10 a 10000 Hertz (Hz) e a variazioni di lunghezza dei suoi bracci di 3 km dell’ordine di un miliardesimo di miliardesimo di metro, circa un millesimo del diametro di un protone.
Il ruolo dell’INFN in VIRGO
L’INFN è fra i promotori di VIRGO sin dalla sua ideazione. Il progetto è nato alla fine degli anni ’80 da un’originale e visionaria idea dell’italiano Adalberto Giazotto dell’INFN e del francese Alain Brillet del CNRS. In VIRGO lavorano circa 100 ricercatori dell’INFN, provenienti dalle sezioni di Pisa, Firenze con il gruppo di ricerca di Urbino, Perugia, Genova, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata, Napoli, Padova, Tifpa di Trento e Gran Sasso Science Institute dell’Aquila.
Italiani che hanno incarichi istituzionali o che hanno avuto un ruolo di rilievo nella scoperta
• Federico Ferrini, Direttore EGO European Gravitational Observatory
• Fulvio Ricci, ex capo della Collaborazione Scientifica internazionale VIRGO
• Giovanni Losurdo, Project Leader di Advanced Virgo
• Gianluca Gemme, Chairman dell’Editorial Board di VIRGO e coordinatore nazionale INFN di VIRGO
• Pia Astone, nel team di 5 persone che hanno redatto l’articolo scientifico della scoperta
• Cristiano Palomba, revisore dei lavori scientifici pubblicati e in preparazione
• Viviana Fafone, revisore dei lavori scientifici pubblicati e in preparazione
• Marica Branchesi, chairlady del gruppo Electromagnetic Follow Up dell’evento rivelato
• Michele Punturo, coordinatore scientifico del progetto Einstein Telescope per la costruzione di un interferometro sotterraneo di grandi dimensioni.
La Ministra Fedeli: “Grande soddisfazione per ruolo Italia nella scoperta”
“Grande emozione e profonda soddisfazione per il Nobel per la Fisica 2017. La Fondazione ha riconosciuto la scoperta delle onde gravitazionali, assegnando il premio a Rainer Weiss, a Barry C. Barish e a Kip S. Thorne e indicando come affiliazione le collaborazioni LIGO-VIRGO: un’attestazione per la quale siamo molto orgogliosi, dal momento che molte ricercatrici e molti ricercatori italiani hanno dato il proprio contributo e uno dei due ‘papà’ di VIRGO, che è stato costruito alle porte di Pisa, a Cascina, è un italiano, Adalberto Giazotto. Si tratta di un grande risultato, di una giornata storica per le eccellenze del nostro Paese e per la scienza in generale, un ambito che dimostra di vincere grazie alle intelligenze e alle collaborazioni internazionali”. Così la Ministra dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca, Valeria Fedeli, dopo l’annuncio dei vincitori.
“L’Italia e i suoi centri di ricerca, e tra questi un ruolo di primo piano ha l’Istituto nazionale di fisica nucleare che vede circa cento dei suoi ricercatori lavorare in VIRGO, hanno dato un contributo determinante alla scoperta. È di Adalberto Giazotto – aggiunge Fedeli – che, insieme al francese Alain Brillet già dagli anni ’80 ha sviluppato l’idea del rivelatore, la proposta di creare una rete globale di esperimenti sulle onde gravitazionali”.
“La scoperta che viene premiata oggi è segno di come i successi e i progressi in campo scientifico siano il risultato dei singoli talenti di coloro che hanno messo le loro intelligenze a servizio della ricerca, ma anche di come le collaborazioni internazionali costituiscano un punto di forza per il progresso globale. Da Ministra dell’Istruzione ringrazio tutte e tutti coloro che si sono impegnati in questo progetto: siete l’Italia che vogliamo” conclude.