Nel febbraio 2016, gli scienziati che hanno lavorato per il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno fatto la storia quando hanno annunciato il primo rilevamento in assoluto delle onde gravitazionali. Da quel momento, sono stati effettuati rilevamenti multipli e collaborazioni scientifiche tra osservatori - come Advanced LIGO e Advanced Virgo - stanno consentendo livelli senza precedenti di sensibilità e condivisione dei dati.
Non solo il rilevamento per la prima volta delle onde di gravità è stato un risultato storico, ma ha inaugurato una nuova era dell'astrofisica. Non c'è da stupirsi quindi perché i tre ricercatori che sono stati al centro della prima rilevazione abbiano ricevuto il Premio Nobel per la fisica 2017. Il premio è stato assegnato congiuntamente ai professori emeriti di Caltech Kip S. Barish, insieme al professore emerito del MIT Rainer Weiss.
Per dirla semplicemente, le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo che sono formate da importanti eventi astronomici - come la fusione di una coppia binaria di buco nero. Furono previsti per la prima volta oltre un secolo fa dalla Teoria della relatività generale di Einstein, che indicava che enormi perturbazioni avrebbero alterato la struttura dello spazio-tempo. Tuttavia, solo negli ultimi anni è stata osservata per la prima volta la prova di queste onde.
Il primo segnale è stato rilevato dai due osservatori gemelli di LIGO - rispettivamente a Hanford, Washington e Livingston, Louisiana - e rintracciato in una fusione di talpa nera a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Ad oggi, sono stati rilevati quattro rilevamenti, tutti dovuti alla fusione di coppie di buchi neri. Questi avvenivano il 26 dicembre 2015, il 4 gennaio 2017 e il 14 agosto 2017, l'ultimo rilevato da LIGO e dal rivelatore di onde gravitazionali della Vergine Europea.
Per il ruolo svolto in questo risultato, metà del premio è stata assegnata congiuntamente a Barry C. Barish di Caltech - Ronald e Maxine Linde professore di fisica, emerito - e Kip S. Thorne, Richard P. Feynman professore di fisica teorica , Emerito. L'altra metà è stata assegnata a Rainer Weiss, professore di fisica, emerito, presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Come ha affermato il presidente della Caltech Thomas F. Rosenbaum - presidente presidenziale di Sonja e William Davidow e professore di fisica - in una recente dichiarazione della stampa Caltech:
“Sono lieto e onorato di congratularmi con Kip e Barry, così come con Rai Weiss del MIT, per il premio stamattina del Premio Nobel per la fisica 2017. La prima osservazione diretta delle onde gravitazionali da parte di LIGO è una straordinaria dimostrazione di visione scientifica e persistenza. Attraverso quattro decenni di sviluppo di strumentazione squisitamente sensibile - spingendo la capacità della nostra immaginazione - siamo ora in grado di intravedere processi cosmici che prima non erano rilevabili. È davvero l'inizio di una nuova era nell'astrofisica. "
Questo risultato fu tanto più impressionante se si considera che Albert Einstein, che per primo aveva predetto la loro esistenza, credeva che le onde gravitazionali sarebbero troppo deboli per essere studiate. Tuttavia, negli anni '60, i progressi della tecnologia laser e nuove intuizioni su possibili fonti astrofisiche hanno portato gli scienziati a concludere che queste onde potrebbero essere effettivamente rilevabili.
I primi rilevatori di onde gravitazionali furono costruiti da Joseph Weber, un astrofisico dell'Università del Maryland. I suoi rivelatori, che furono costruiti negli anni '60, consistevano in grandi cilindri di alluminio che sarebbero stati spinti a vibrare passando onde gravitazionali. Seguirono altri tentativi, ma tutti si dimostrarono senza successo; indurre uno spostamento verso un nuovo tipo di rivelatore che coinvolge l'interferometria.
Uno di questi strumenti è stato sviluppato da Weiss al MIT, che si basava sulla tecnica nota come interferometria laser. In questo tipo di strumento, le onde gravitazionali vengono misurate utilizzando specchi ampiamente distanziati e separati che riflettono i laser su lunghe distanze. Quando le onde gravitazionali fanno allungare e spremere lo spazio di quantità infinitesimali, la luce riflessa all'interno del rivelatore si sposta minuziosamente.
Allo stesso tempo, Thorne - insieme ai suoi studenti e dottorandi alla Caltech - iniziò a lavorare per migliorare la teoria delle onde gravitazionali. Ciò includeva nuove stime sulla forza e la frequenza delle onde prodotte da oggetti come buchi neri, stelle di neutroni e supernovae. Ciò culminò in un articolo del 1972 che Throne ha pubblicato in collaborazione con il suo studente, Bill Press, che sintetizzava la loro visione di come le onde gravitazionali potevano essere studiate.
Nello stesso anno, Weiss ha anche pubblicato un'analisi dettagliata degli interferometri e il loro potenziale per la ricerca astrofisica. In questo documento, ha affermato che le operazioni su larga scala - che misurano diversi km o più di dimensioni - potrebbero avere una possibilità di rilevare le onde gravitazionali. Ha anche identificato le principali sfide alla rilevazione (come le vibrazioni dalla Terra) e ha proposto possibili soluzioni per contrastarle.
Nel 1975, Weiss invitò Thorne a parlare a una riunione del comitato della NASA a Washington, DC, e i due trascorsero un'intera notte a parlare di esperimenti gravitazionali. Come risultato della loro conversazione, Thorne tornò da Calteh e propose di creare un gruppo di gravità sperimentale, che avrebbe lavorato su interferometri in parallelo con i ricercatori del MIT, dell'Università di Glasgow e dell'Università di Garching (dove venivano condotti esperimenti simili).
Lo sviluppo del primo interferometro iniziò poco dopo a Caltech, il che portò alla creazione di un prototipo di 40 metri (130 piedi) per testare le teorie di Weiss sulle onde gravitazionali. Nel 1984, tutti i lavori condotti da queste rispettive istituzioni si sono riuniti. Caltech e MIT, con il supporto della National Science Foundation (NSF) hanno formato la collaborazione LIGO e hanno iniziato a lavorare sui suoi due interferometri ad Hanford e Livingston.
La costruzione di LIGO è stata una grande sfida, sia dal punto di vista logistico che tecnico. Tuttavia, le cose furono aiutate immensamente quando Barry Barish (allora fisico di particelle Caltech) divenne il Principal Investigator (PI) di LIGO nel 1994. Dopo un decennio di tentativi di stallo, fu anche nominato direttore di LIGO e rimise in moto la sua costruzione. . Ha anche ampliato il team di ricerca e sviluppato un piano di lavoro dettagliato per la NSF.
Come ha indicato Barish, il lavoro che ha fatto con LIGO è stato un sogno diventato realtà:
"Ho sempre voluto essere un fisico sperimentale e sono stato attratto dall'idea di utilizzare i continui progressi della tecnologia per realizzare esperimenti scientifici fondamentali che non avrebbero potuto essere fatti diversamente. LIGO è un ottimo esempio di cosa non si poteva fare prima. Sebbene fosse un progetto su larga scala, le sfide erano molto diverse dal modo in cui costruiamo un ponte o realizziamo altri grandi progetti di ingegneria. Per LIGO, la sfida era ed è come sviluppare e progettare strumenti avanzati su larga scala, anche mentre il progetto si evolve. "
Nel 1999, la costruzione si era conclusa con gli osservatori LIGO e nel 2002, LIGO ha iniziato a ottenere dati. Nel 2008 sono iniziati i lavori per migliorare i suoi rilevatori originali, noti come Progetto LIGO avanzato. Il processo di conversione del prototipo da 40 m agli attuali interferometri da 4 km (2,5 mi) di LIGO è stato un impegno enorme, e quindi doveva essere suddiviso in fasi.
Il primo passo ha avuto luogo tra il 2002 e il 2010, quando il team ha costruito e testato gli interferometri iniziali. Sebbene ciò non abbia comportato alcun rilevamento, ha dimostrato i concetti di base dell'osservatorio e risolto molti degli ostacoli tecnici. La fase successiva - chiamata Advanced LIGO, che si è svolta tra il 2010 e il 2015 - ha consentito ai rivelatori di raggiungere nuovi livelli di sensibilità.
Questi aggiornamenti, avvenuti anche sotto la guida di Barish, hanno consentito lo sviluppo di diverse tecnologie chiave che alla fine hanno reso possibile il primo rilevamento. Come ha spiegato Barish:
"Nella fase iniziale di LIGO, al fine di isolare i rivelatori dal movimento della terra, abbiamo utilizzato un sistema di sospensione costituito da specchi di massa di prova appesi al filo del piano e utilizzato un set di ammortizzatori passivi a più fasi, simile a quelli nella tua macchina. Sapevamo che probabilmente non sarebbe stato abbastanza buono per rilevare le onde gravitazionali, quindi nel laboratorio LIGO abbiamo sviluppato un ambizioso programma per Advanced LIGO che incorporava un nuovo sistema di sospensione per stabilizzare gli specchi e un sistema di isolamento sismico attivo per rilevare e correggere movimenti di terra. "
Dato quanto centrale Thorne, Weiss e Barish fossero nello studio delle onde gravitazionali, tutti e tre sono stati giustamente riconosciuti come i vincitori del Premio Nobel per la fisica di quest'anno. Sia Thorne che Barish sono stati informati di aver vinto nelle prime ore del mattino del 3 ottobre 2017. In risposta alla notizia, entrambi gli scienziati sono stati sicuri di riconoscere gli sforzi in corso di LIGO, i team scientifici che hanno contribuito ad esso, e il gli sforzi di Caltech e MIT nella creazione e manutenzione degli osservatori.
"Il premio appartiene giustamente alle centinaia di scienziati e ingegneri LIGO che hanno costruito e perfezionato i nostri complessi interferometri ad onde gravitazionali, e alle centinaia di scienziati LIGO e Virgo che hanno trovato i segnali delle onde gravitazionali nei dati rumorosi di LIGO ed hanno estratto le informazioni sulle onde, "Disse Thorne. "È un peccato che, a causa degli statuti della Nobel Foundation, il premio debba essere assegnato a non più di tre persone, quando la nostra meravigliosa scoperta è opera di oltre mille".
"Sono onorato e onorato di ricevere questo premio", ha affermato Barish. “Il rilevamento delle onde gravitazionali è veramente un trionfo della moderna fisica sperimentale su larga scala. Per diversi decenni, i nostri team di Caltech e MIT hanno sviluppato LIGO in un dispositivo incredibilmente sensibile che ha fatto la scoperta. Quando il segnale raggiunse LIGO da una collisione di due buchi neri stellari verificatisi 1,3 miliardi di anni fa, la LIGO Scientific Collaboration, forte di 1.000 scienziati, fu in grado di identificare l'evento candidato in pochi minuti ed eseguire l'analisi dettagliata che dimostrò in modo convincente che le onde gravitazionali esistere."
Guardando al futuro, è anche abbastanza chiaro che Advanved LIGO, Advanced Virgo e altri osservatori di onde gravitazionali in tutto il mondo hanno appena iniziato. Oltre ad aver rilevato quattro eventi separati, recenti studi hanno indicato che il rilevamento delle onde gravitazionali potrebbe anche aprire nuove frontiere per la ricerca astronomica e cosmologica.
Ad esempio, un recente studio di un team di ricercatori del Monash Center for Astrophysics ha proposto un concetto teorico noto come "memoria orfana". Secondo la loro ricerca, le onde gravitazionali non solo causano onde nello spazio-tempo, ma lasciano increspature permanenti nella sua struttura. Studiando gli "orfani" degli eventi passati, le onde gravitazionali possono essere studiate sia quando raggiungono la Terra che molto tempo dopo il loro passaggio.
Inoltre, uno studio è stato pubblicato in agosto da un team di astronomi del Center of Cosmology dell'Università della California Irvine che indicava che le fusioni di buchi neri sono molto più comuni di quanto pensassimo. Dopo aver condotto un sondaggio sul cosmo destinato a calcolare e classificare i buchi neri, il team dell'UCI ha determinato che nella galassia potrebbero esserci fino a 100 milioni di buchi neri.
Un altro recente studio ha indicato che la rete di rivelatori di onde gravitazionali Advanced LIGO, GEO 600 e Virgo potrebbe anche essere utilizzata per rilevare le onde gravitazionali create dalle supernovae. Rilevando le onde create dalla stella che esplodono verso la fine della loro durata di vita, gli astronomi potrebbero essere in grado di vedere per la prima volta all'interno dei cuori delle stelle che collassano e sondare la meccanica della formazione del buco nero.
Il premio Nobel per la fisica è uno dei più alti riconoscimenti che possono essere conferiti a uno scienziato. Ma ancora più grande è la consapevolezza che grandi cose sono derivate dal proprio lavoro. Decenni dopo Thorne, Weiss e Barish hanno iniziato a proporre studi sulle onde gravitazionali e lavorando alla creazione di rivelatori, scienziati da tutto il mondo stanno facendo scoperte profonde che stanno rivoluzionando il modo in cui pensiamo l'Universo.
E come dimostreranno sicuramente questi scienziati, quello che abbiamo visto finora è solo la punta dell'iceberg. Si può immaginare che da qualche parte Einstein sia anche raggiante di orgoglio. Come per altre ricerche relative alla sua teoria della relatività generale, lo studio delle onde gravitazionali sta dimostrando che anche dopo un secolo, le sue previsioni continuavano a battere!
E assicurati di guardare questo video della conferenza stampa di Caltech in cui Barish e Thorn sono stati onorati per i loro successi:
