A Pisa una piccola “Nasa” che ha contribuito al nobel per la fisica del 2017

PhotoVirgo_VueDuCiel

Il futuro ce lo siamo immaginato in diversi modi. Proprio 50 anni fa Neil Armstrong ci portò sulla Luna facendoci presagire conquiste planetarie, un’immaginazione in seguito nutrita da tanti film e tanti cartoni interstellari; e i nostri sguardi si proiettarono all’insù. Poi Mark Zuckerberg, dopo essere stato mollato dalla ragazza, in una notte di sfogo tirò fuori la sua vena nerd e ci indicò un’altra strada, quella social, quella della connessione e della condivisione globale; e gli sguardi si spostarono in basso, verso tablet e cellulari.

C’è anche però chi ha immaginato che il futuro passasse dalla conoscenza e dal tentativo di confermare le teorie dei maestri. E chissà se quando Albert Einstein, nell’ambito della teoria della relatività generale, previde nel 1916 l’onda gravitazionale, un’oscillazione dello spazio-tempo che si propaga alla velocità della luce, pensava che a dargli ragione, esattamente un secolo dopo, sarebbe stato un gruppo di ricerca del pisano (anche se non da solo); e che da tutto questo venisse fuori anche un Premio Nobel per la Fisica.

Siamo alla sede di Virgo, situata nella frazione di Santo Stefano a Macerata, a Cascina; ci troviamo in mezzo alla campagna, vicino al confine col Comune di Collesalvetti.

Ci sono diversi edifici, all’interno dei quali siamo condotti e guidati in visita da Carlo Fabozzi, tecnico del reparto infrastrutture; c’è una sala di controllo che un po’ ricorda, sia pure in piccolo, la NASA; ci sono alcuni oggetti interessanti che richiamano il pionierismo delle ricerche e focalizzano il senso della missione; ma soprattutto ci sono loro, i due bracci di 3 km adagiati sulla pianura e costruiti proprio per rivelare le onde gravitazionali, sì quelle previste dal Maestro.

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Foto aerea di Virgo, dove si vedono bene i raggi di 3 km_ Ph. Virgo Collaboration

Virgo –  un nome romantico che palesa la convinzione iniziale che la zona dell’universo più attiva come produzione di onde gravitazionali fosse la costellazione della Vergine –  si trova all’interno di EGO (European Gravitational Observatory), l’osservatorio costituito da INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). Vi partecipano anche laboratori e università dell’Olanda, Belgio, Ungheria, Polonia e Spagna. E questo spiega perché, fra la cinquantina di persone che lavorano alla struttura (tecnici, fisici, amministrativi, meccanici, vincitori di borse di studio), molti siano stranieri.

Un particolare dei bracci_Ph. Ego Photos
Una foto suggestiva dell’interno_ Ph. Ego Photo

In sostanza, per misurare le deformazioni talora impercettibili dello Spazio-Tempo prodotte dal passaggio delle onde gravitazionali, Virgo misura, con un interferometro laser, la variazione delle distanze fra masse di test sospese nel vuoto a 3 km l’una dall’altra. E per misurare le variazioni di distanza dovute alle onde gravitazionali i fasci laser si propagano in due grandi tubi a ultra-alto vuoto lunghi 3 km e fra di loro perpendicolari. Le masse di test (gli specchi su cui si riflettono i fasci laser, le cui funzioni sono ben esplicate all’interno di un apposito spazio museale) sono sospese a giganteschi ammortizzatori antisismici all’interno di campane da vuoto alte 11 metri, poste alle estremità dei bracci.

Virgo collabora con i due rivelatori LIGO che si trovano rispettivamente a Hanford, Washington e a Livingston, Louisiana, negli Stati Uniti, anch’essi grandi interferometri con bracci lunghi 4 km. Le prime onde gravitazionali, dovute allo scontro fra buchi neri, furono captate nel settembre del 2015 proprio da LIGO, mentre LIGO e Virgo, nell’agosto del 2017, hanno captato congiuntamente una coalescenza di due buchi neri e la prima coalescenza di due stelle di neutroni. La scoperta è valsa il Premio Nobel per la Fisica del 2017, un evento che a Cascina, ma non solo, fu festeggiato con grande entusiasmo.

Così spiega l’evento Carlo Fabozzi: “La novità della scoperta che ha portato al Nobel è stata l’osservazione della prima onda gravitazionale. Questi segnali costituiscono un nuovo modo di osservare l’universo. Prima si osservava il cosmo con gli strumenti ottici, con i radio-telescopi o con molti altri rivelatori. Mancava però la possibilità di osservare l’universo con le onde gravitazionali; per esempio tali onde hanno permesso per la prima volta di osservare un evento causato da buchi neri, che non possono essere osservati né dal punto di vista ottico né con altre tecniche di osservazione all’epoca esistenti. Da allora, in un lasso di tempo inferiore ai due anni, si sono osservati più di 40 eventi, fra cui, lo scorso agosto, una stella che è stata risucchiata da un buco nero o, in altre occasioni, coalescenze di stelle di neutroni, che hanno dato luogo a scoperte di altro tipo, a come nascono i metalli pesanti, come l’oro o il platino”.

Nell’edificio centrale, sotto un telo bianco, notiamo Explorer, una barra risonante che era in funzione negli anni Ottanta al CERN di Ginevra. Questo tipo di strumenti erano progettati per osservare eventi in un intervallo molto stretto di frequenze attorno al loro modo di risonanza (1 kHz).

Successivamente gli scienziati ritennero necessario passare a strumenti molto più sofisticati, che avessero un range di osservazione molto più ampio, gli interferometri. E mentre gli americani iniziarono a studiare e a progettare LIGO, il Prof. Adalberto Giazotto, fisico pisano scomparso nel 2017 e pioniere dello studio delle onde gravitazionali in Italia, iniziò a lavorare al progetto di Virgo, che fu approvato nel 1993, e a collaborare con i fisici francesi guidati da Alain Brillet. Da questo scambio è venuto fuori il disegno di Virgo, i due bracci di tre chilometri ad angolo retto nella campagna di Cascina.

Inizialmente l’idea era di costruire questo strumento nella riserva di San Rossore, però ci furono delle obiezioni degli ambientalisti perché bisognava abbattere una miriade di alberi; e a Giazotto venne l’idea di divulgare le informazioni alle amministrazioni locali (comuni, province), dando delle indicazioni sulle caratteristiche che dovevano avere gli spazi e dove andavano inseriti questi strumenti. L’allora Sindaco di Cascina, Cacciamano, all’inizio degli anni Novanta, ebbe l’idea di inserirlo in una zona che era molto piatta, esclusivamente agricola, e aveva pochissime difficoltà di esproprio, attraversava poche strade e pochi elettrodotti. Oggi, il terreno su cui si trova Virgo occupa una fascia di 50 metri per 6 km, più degli slarghi nelle zone in cui ci sono gli edifici, distribuiti su varie aree.

L’ingresso di Virgo_Ph Ego Photo

Durante la visita, che si snoda anche all’interno dei tunnel di uno dei due bracci, capiamo l’importanza del sistema di sospensioni, sette in tutto.

“In quella più corta c’è il banco che ospita il laser – ci racconta ancora Fabozzi –  quella nel punto di incrocio si chiama Beam Splitter dove si trova uno specchio semiriflettente, posizionato a 45 gradi; essendo semiriflettente metà della luce lo attraversa e metà rimbalza e va sull’altro braccio di Virgo (uno si chiama Braccio Nord e l’altro Braccio Ovest). Tale punto di intersezione fra i bracci si trova nell’edificio centrale.

La collinetta, artificiale, è semplicemente una maniera per isolare l’edificio centrale dai rumori esterni, un aspetto fondamentale per chi deve rilevare deformazioni impercettibili.

Il Beam Splitter è un po’ la chiave di tutto, perché divide equamente il fascio in ciascun braccio. Il fascio di ciascun braccio si propaga, arriva al termine del braccio, rimbalza e torna indietro. E ripercorre questa distanza per un determinato numero di volte, si parla di 400/500 volte; questo serve proprio a moltiplicare la lunghezza del braccio perché più lunghi sono i bracci più è facile apprezzare la differenza che avranno i due bracci quando vengono attraversati dalle onde gravitazionali. I due fasci, tornati al Beam Splitter, vengono inviati ad un’altra torre corta che ospita il fotodiodo o photodetector, il quale riceve l’immagine prodotta dall’interferenza dei fasci. Il sensore può ricevere buio o può ricevere luce nel caso in cui l’onda del fascio laser è sovrapposta o è sfalsata”.

Virgo ha anticipato il futuro, dato che sulla sua falsariga, e su quella degli interferometri americani, nascerà KAGRA, in Giappone, ed è già presente allo stato embrionale, in India, LIGO India.

A Santo Stefano di Macerata, non a caso, arrivano di frequente scolaresche in gita e vengono organizzati seminari internazionali di Fisica, in collaborazione con l’Università di Pisa.

Un esterno di Virgo in un giorno di arcobaleno_Ph Ego Photo

Prossimo obiettivo, la costruzione di una piccola foresteria, perché il luogo è un po’ isolato e le strade di accesso sono in pessime condizioni.

Ma, poiché a Virgo si sono già fatti grandi passi per l’umanità, si possono compiere anche questi piccoli passi per l’uomo.

 

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