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DI ANTONIO LO CAMPO*

» Sopra: Alessandra Buonanno, direttrice dell’Istituto tedesco “Max Planck” per la Fisica Gravitazionale. Nella pagina a destra: la struttura delle onde gravitazionali emesse dalla fusione di due buchi neri.

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HA CONTRIBUITO AD APRIRE UNA NUOVA FINESTRA SULL’UNIVERSO

LA SIGNORA DELLE ONDE GRAVITAZIONALI

INDIVIDUÒ NELLA FUSIONE DI BUCHI NERI L’ORIGINE DEI SEGNALI REGISTRATI DA LIGO: A COLLOQUIO CON ALESSANDRA BUONANNO

L’ultimo, prestigioso riconoscimento, in ordine cronologico, lo ha ottenuto lo scorso settembre, con il Premio Balzan. Il 2021 è stato un anno ricco di soddisfazioni per Alessandra

Buonanno, la fisica italiana che dirige l’Istituto tedesco “Max Planck” per la Fisica

Gravitazionale, alla quale già in estate era stata conferita la Medaglia Dirac. Una vita e una carriera dedicata alla scienza e all’astrofisica, in particolare per i contributi alla ricerca sulle onde gravitazionali. E, di conseguenza, agli studi sui buchi neri. È stata lei che, confrontando i segnali raccolti dall’interferometro Ligo negli Stati Uniti con le simulazioni al computer

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fondate sulla teoria della Relatività generale di Einstein, ha permesso di dare la conferma: “Sì, quelle viste

da Ligo sono onde gravitazionali originate dalla fusione di due

buchi neri!”. Nella scienza, e in particolare in astrofisica, quando si apre una finestra, se ne aprono moltissime altre in seguito. E ora è iniziato un nuovo anno con molto lavoro e nuove, importanti sfide: “Siamo solo all’inizio: dalla scoperta delle onde gravitazionali nel 2015, abbiamo osservato ben 90 segnali provenienti dalla collisione di buchi neri e stelle di neutroni. Questo apre nuovi scenari per lo studio dell’Universo e di molti dei fenomeni che avvengono nel cosmo” – ci dice Alessandra Buonanno, che Cosmo ha intervistato in collegamento dal Max Planck Institute.

PROFESSORESSA, È STATO

UN ANNO DAVVERO

DA INCORNICIARE…

Certamente. Sono molto orgogliosa di avere contribuito, assieme al mio gruppo di studenti di dottorato e giovani ricercatori, a queste nuove scoperte che rivoluzioneranno l’astrofisica e la cosmologia del prossimo e lontano futuro. Il 2021 è stato per me un anno bellissimo, anche se tutto parte da un altro anno davvero importante, il 2015. Fu infatti il 14 settembre di quell’anno che riuscimmo a dare l’annuncio della scoperta delle onde gravitazionali. Un’emozione unica.

QUAL È STATO IL MOMENTO DETERMINANTE CHE L’HA PORTATA ALLO STORICO ANNUNCIO?

» I segnali raccolti dai due interferometri di Ligo (Hanford e Linvingston) il 14 settembre 2015 e la loro sovrapposizione che ne rivela l’autenticità. La linea più sottile in entrambi i grafici indica la previsione teorica basata sulla teoria della relatività generale.

La mattina del 14 settembre, due ricercatori nella sede del nostro istituto ad Hannover avevano notato un segnale interessante nei dati che riuscivamo a ottenere in tempo reale dai due interferometri laser di Ligo, nello stato di Washington e in Louisiana. Lo stesso segnale, piuttosto forte, da due “antenne” collocate a migliaia di chilometri di distanza. Difficile pensare a una coincidenza. C’era la possibilità che si trattasse di un segnale introdotto a mano per testare la nostra capacità di analizzare i dati, ma l’abbiamo scartato subito e l’ipotesi onde gravitazionali è divenuta realtà.

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E lì è iniziato il lavoro mio e dei miei collaboratori.

SU COSA ERA BASATO

IL VOSTRO LAVORO?

Da più di vent’anni elaboro modelli matematici per descrivere le tipologie di onde gravitazionali che vengono emesse da particolari sistemi astrofisici: coppie di stelle o di buchi neri legati gravitazionalmente. I buchi neri, esattamente come le stelle, possono viaggiare in coppia. Sono sistemi binari, oppure stelle di neutroni che si muovono a spirale in una sorta di danza cosmica. Quando collidono e si fondono assieme, creano dei fenomeni cataclismici tali da generare delle increspature nella struttura dello spazio-tempo: le onde gravitazionali.

È STATO MOLTO

LABORIOSO OTTENERE LA CONFERMA?

Abbiamo escluso che il segnale fosse dovuto a una fluttuazione del “rumore” del rivelatore: la probabilità che si verifichi un caso del genere è di una ogni 200mila anni. Poi la forma del segnale ci ha permesso di ricostruire l’evento: i due corpi celesti, due buchi neri, erano a circa 1,3 miliardi di anni luce da noi e avevano in origine masse dell’ordine di 30 volte quella del Sole. Avevano orbitato l’uno attorno all’altro avvicinandosi sempre di più e continuando nella loro danza sempre più velocemente, fino a fondersi in un solo buco nero. Al crescere dell’accelerazione di un corpo verso l’altro, era cresciuta anche l’emissione di onde. Ligo ha registrato la parte finale e più energetica di questa drammatica danza cosmica, le ultime sei rivoluzioni dei due buchi neri, che sono durate mezzo secondo.

QUANTO È FONDAMENTALE QUESTA SCOPERTA?

Io la paragono alle prime scoperte di Galileo. Certamente una delle maggiori rivoluzioni scientifiche degli ultimi cento anni. La nostra conoscenza delle onde gravitazionali apre una nuova finestra sull’Universo. I buchi neri, per definizione, non emettono alcuna radiazione, se non quella gravitazionale; perciò, nessun telescopio al mondo avrebbe potuto rivelare la fusione dei due buchi neri che invece ha visto Ligo. Le onde gravitazionali sono un po’ come l’impronta digitale di questi eventi estremi, veri e propri messaggeri dei buchi neri per gli astronomi.

QUALI SONO LE PROSPETTIVE PER IL FUTURO?

Finora gli interferometri laser Ligo e Virgo hanno registrato ben 90 segnali. In particolare, 86 onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due buchi neri, due segnali dalla collisione di due stelle di neutroni, e

» Il sistema di rivelatori Lisa dell’Esa, che sarà lanciato nel 2036. Costituirà un immenso triangolo spaziale, di cui misurerà le distorsioni provocate dal passaggio delle onde gravitazionali.

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due onde gravitazionali dalla fusione di un buco nero con una stella di neutroni. La prima registrazione di un’onda gravitazionale dalla collisione di due stelle di neutroni nel 2017 è stata accompagnata da segnali elettromagnetici nel visibile, infrarosso, raggi X, gamma e radio: così si è potuto aggiungere il contributo gravitazionale alla cosiddetta “astronomia multimessaggera”. Grazie a questa scoperta, ora sappiamo che l’oro, il torio, l’uranio e il plutonio, vengono creati dalla collisione di stelle di neutroni. L’osservazione contemporanea delle onde gravitazionali e delle onde elettromagnetiche ci ha permesso di verificare che le onde gravitazionali si trasmettono con una velocità uguale a quella della luce e di raffinare la misura della velocità alla quale l’Universo si sta espandendo.

A CHE PUNTO SONO GLI STRUMENTI LIGO E VIRGO?

Stanno migliorando la sensibilità e alla fine del 2022 riprenderanno a funzionare. È previsto che siano in grado di rivelare tre collisioni di buchi neri ogni settimana! Nel prossimo decennio ci saranno nuovi impianti sulla Terra, l’Einstein Telescope in Europa e il Cosmic Explorer negli Stati Uniti. Con questi nuovi strumenti spingeremo la banda di frequenza fino a qualche hertz. Questo permetterà di individuare i buchi neri fino all’epoca in cui si sono formate le prime stelle, quando l’Universo era 10-20 volte più piccolo di adesso. Stiamo già lavorando per sviluppare i modelli che permetteranno di gestire queste

UNA CARRIERA ALL’OMBRA DEI BUCHI NERI

Laureata in fisica teorica all’Università di Pisa nel 1993, tre anni dopo Alessandra Buonanno ha completato il Dottorato di Ricerca nello stesso ateneo. Dopo un breve periodo al Cern di Ginevra, ha ottenuto un post dottorato all’Ihes (Institut des Hautes Etudes Scientifiques) a Bures-sur-Yvette, vicino Parigi, e poi al California Institute of Technology a Pasadena, in California. Nel 2001 è diventata ricercatrice permanente del Centre National de la Recherche Scientifique, prima all’Istituto di Astrofisica di Parigi e poi al Laboratorio di Astrofisica e Cosmologia di Parigi. A partire dal 2014, è stata nominata direttrice all’Istituto “Max Planck” per la Fisica Gravitazionale (Albert Einstein Institute) di Potsdam, in Germania, dove dirige il Dipartimento di Relatività Astrofisica e Cosmologica. Alessandra Buonanno è anche docente presso l’Università del Maryland e ha cattedre onorarie all’Università di Potsdam e all‘Università Humboldt di Berlino. Le sue ricerche sui modelli di relatività analitica e relatività numerica sono state impiegate dall’osservatorio Ligo per individuare per la prima volta, nel 2015, le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di un sistema binario di buchi neri, deducendo le loro proprietà astrofisiche e cosmologiche. Nel corso della sua carriera, ha ricevuto numerosi riconoscimenti scientifici: è membro della Società Italiana di Relatività Generale e Fisica della Gravitazione, dell’International Society on General Relativity and Gravitation e dell’American Physical Society. Buonanno ha ricevuto molti premi come membro della Ligo Scientific Collaboration. Nel 2018 ha ricevuto il Gottfried Wilhelm Leibniz Prize dalla Fondazione Tedesca della Ricerca. Nel 2021 ha ricevuto la Medaglia “Galileo Galilei” dall’Istituto “Galilei Galilei” dell’Infn, la Medaglia Dirac, assegnata dall’International Centre for Theoretical Physics (Ictp) di Trieste e il Premio Balzan dalla Fondazione Svizzera Balzan. Nel 2021 Alessandra Buonanno è stata eletta membro della Accademia Nazionale delle Scienze Americana, della Accademia Nazionale delle Scienze Tedesca e dell’Accademia delle Scienze e Umanità di Berlino-Brandeburgo.

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» L’osservatorio per onde gravitazionali europeo Einstein Telescope sarà realizzato nel sottosuolo di un territorio asismico, probabilmente in Sardegna.

osservazioni, dalla teoria fino all’analisi dei dati.

SONO PREVISTE MISSIONI

ANCHE NELLO SPAZIO?

Una missione spaziale è già programmata, per il 2036. È la missione Lisa (Laser Interferometer Space Antenna) dell’Agenzia spaziale europea con il contributo della Nasa, che sonderà le onde gravitazionali nella fascia dei millihertz, una banda di frequenza più piccola di quella accessibile agli interferometri a terra. Lisa raccoglierà le onde gravitazionali originate dalla fusione di buchi neri di milioni di masse solari, che sono presenti al centro delle galassie come la nostra. Il segnale da questi eventi sarà registrato per mesi o anni. Nel mese di giugno del 2021 si è concluso il lavoro della commissione che doveva proporre all’Esa i nuovi temi per l’esplorazione dello spazio per il periodo 2035-2050 (Voyage 2050). Uno dei temi era “Nuovi messaggeri per l’Universo primordiale” e includeva le onde gravitazionali in una nuova banda

*ANTONIO LO CAMPO È UN GIORNALISTA SCIENTIFICO SPECIALIZZATO PER IL SETTORE AEROSPAZIALE, COLLABORA CON DIVERSE TESTATE NAZIONALI.

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» Particolare dei rivelatori dell’interferometro Virgo, installato in provincia di Pisa.

di frequenza. Come è accaduto per l’astronomia elettromagnetica, aprire delle nuove bande di frequenza, porta molto spesso alla scoperta di nuovi fenomeni cosmici.

SARÀ ORGOGLIOSA

DI QUESTI SUCCESSI,

SIA COME SCIENZIATA

CHE COME DONNA

Sono contenta (e mi ritengo fortunata) di fare il mestiere a cui ho sempre aspirato, e di farlo con giovani ricercatori brillanti ed entusiasti, in un ambiente internazionale. Il numero di donne scienziate che lavorano nella fisica teorica è ancora una piccola frazione del numero di uomini scienziati. Ma negli ultimi anni questo numero è cresciuto, grazie al fatto che si comincia ad avere consapevolezza dei problemi di genere nella scienza, ma non a sufficienza. È cruciale eliminare le barriere culturali e sociali che non permettono a molti giovani, e in particolari alle giovani donne, di scegliere o di continuare la carriera scientifica.

COSA SI AUGURA PER IL PROSSIMO FUTURO?

Di proseguire l’esplorazione dell’Universo con le onde gravitazionali, e magari scoprire un giorno dei nuovi oggetti astrofisici, oggi ancora inimmaginabili.