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In Svizzera, le onde gravitazionali fanno molta strada. Non solo furono predetti da Albert Einstein nella sua famosa teoria della relatività generale; I ricercatori svizzeri sono stati coinvolti nei tentativi di rilevare le onde gravitazionali sin dall'inizio e sono desiderosi di prestare la loro esperienza, anche dalla fisica delle particelle, anche a progetti futuri. Ecco un aggiornamento sullo stato attuale della ricerca...
Shubhanshu Tiwari era al primo anno di dottorato al Gran Sasso Science Institute in Italia quando il primo segnale in assoluto di un'onda gravitazionale è stato captato dal rivelatore LIGO. “Il mio supervisore è stato quello che ha visto per primo il segnale. È stato un evento bellissimo”, ricorda. "Sono stato incredibilmente fortunato ad essere lì in quel momento." Era settembre 2015, e le prossime settimane sono una foschia per Tiwari, ora ricercatore presso l'Università di Zurigo. "Abbiamo trascorso settimane di notti insonni", dice, notti trascorse a controllare i dati per assicurarsi che fosse davvero il segnale che i ricercatori stavano cercando.
Si è rivelato essere reale: il primo segnale rilevato direttamente di un'onda gravitazionale, generato quando due buchi neri sono crollati l'uno nell'altro a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza. L'onda ha viaggiato attraverso lo spazio (e il tempo), contorcendola lungo il percorso, comprese le braccia dell'esperimento LIGO negli Stati Uniti, provocando un segnale nel rivelatore.
Come predetto da Einstein, le onde gravitazionali si producono quando accadono grandi cose nella vasta distesa dello spazio: collisioni di buchi neri o stelle di neutroni, o supernove, che sono stelle che esplodono alla fine della loro vita. Questi grandi eventi interrompono lo spaziotempo, inviando increspature in tutte le direzioni che portano informazioni sulle loro origini e forse sulla natura della gravità stessa. I ricercatori hanno solo bisogno degli strumenti giusti per leggere queste informazioni.
I telescopi sono stati utilizzati sin dagli anni '70 per trovare indizi indiretti dell'esistenza delle onde gravitazionali, ma i primi esperimenti per il loro rilevamento diretto sono iniziati solo negli anni '90 con LIGO terrestre e prototipi del pianificato osservatorio delle onde gravitazionali LISA nello spazio. LISA sarà un insieme di satelliti dotati di interferometri altamente sensibili e un braccio di lunghezza un milione di volte più grande di quelli sulla Terra, il che significa che sarà in grado di captare una gamma di segnali completamente diversa. Deve ancora essere approvato, ma il primo passo verso la missione internazionale LISA è stato LISA Pathfinder, che si è concluso nel 2017.
LISA Pathfinder è stato ideato per dimostrare che LISA non solo può fare la scienza ma anche fornire la tecnologia, ed è qui che i ricercatori svizzeri sono entrati con due professori: il fisico Philippe Jetzer, dell'Università di Zurigo, e il geologo e sismologo Domenico Giardini, dell'ETH Zurigo. Sono stati in grado di mettere insieme scienza e tecnologia e anche l'industria svizzera è destinata a svolgere un ruolo importante nella missione finale. "Si prevede che ogni laser che andrà nello spazio nella missione LISA sarà stato calibrato dall'organizzazione di ricerca e sviluppo CSEM con sede a Neuchatel", spiega Steven Schramm dell'Università di Ginevra. "La NASA costruirà i laser e li spedirà in Svizzera solo per scopi di metrologia e calibrazione, ovvero un programma molto approfondito di controlli e controlli di qualità".
Schramm, fisico delle particelle di formazione, fa parte di un altro progetto futuro per saperne di più sulle onde gravitazionali e quindi sull'evoluzione del nostro universo: il cosiddetto Einstein Telescope (ET). Il suo concetto è simile a quelli degli esperimenti esistenti sulle onde gravitazionali LIGO, VIRGO, KAGRA e GEO 600 con bracci lunghi, laser e interferometria precisa. Tuttavia, ET sarebbe costruito in un triangolo, le sue braccia sarebbero lunghe 10 chilometri e sarebbe sotterraneo e raffreddato a temperature molto basse per aumentare la sensibilità.
Il telescopio Einstein pone sfide tecnologiche completamente nuove, una delle quali riguarda il drammatico aumento del numero di onde gravitazionali che verranno osservate. Al fine di riunire le competenze di teoria, astronomia e fisica delle particelle e affrontare queste sfide, l'Università di Ginevra ha recentemente fondato il "Centro scientifico delle onde gravitazionali" interdisciplinare. "Smistare il rumore, assicurarsi che i segnali siano riconosciuti come tali, registrare i dati nell'ordine di un segnale al secondo: tutto ciò non è un grosso problema quando si proviene da un ambiente di elaborazione LHC", afferma Schramm, un esperto di informatica l'esperimento ATLAS. “La cosa difficile qui è combinare tutte le misurazioni ed elaborare i dati in modo rapido e accurato, quindi distribuire immediatamente il risultato a soggetti esterni. È un calcolo complesso che richiede produttività e collaborazione molto veloci; quindi nel complesso una sfida interessante.
L'obiettivo è essere in grado di avvisare i partner di ricerca - altri tipi di telescopi e osservatori in tutto il mondo - immediatamente quando arrivano segnali eccitanti in modo che possano puntare i loro rivelatori nella giusta direzione e registrare il segnale nelle rispettive lunghezze d'onda. Questo concetto, chiamato astronomia multi-messaggero, promette di fornire il quadro più completo finora delle regole e delle leggi dell'Universo.
Dal primo rilevamento diretto sette anni fa, sono state registrate e studiate molte più onde gravitazionali provenienti da diverse sorgenti ed eventi galattici. L'Università di Zurigo fa parte della LIGO Scientific Collaboration da cinque anni e non è solo il primo, ma anche l'unico istituto svizzero che contribuisce direttamente ai rivelatori di onde gravitazionali attualmente in funzione a terra, ovvero LIGO (USA), VERGINE (Italia) e KAGRA (Giappone). I suoi membri sono stati molto attivi nella collaborazione, guidando gli sforzi di osservazione al suo interno, gestendo gruppi di ricerca e sviluppo o guidando documenti di collaborazione.
Maria Haney è un'astrofisica del gruppo UZH. Vuole assicurarsi che tutto venga catturato, anche i segnali provenienti da sorgenti insolite, sviluppando modelli teorici per le onde gravitazionali provenienti da binari di buchi neri e stelle di neutroni e strumenti di analisi dei dati per l'interpretazione astrofisica di queste sorgenti. Ha diviso il suo tempo di ricerca tra diversi progetti di onde gravitazionali e, mentre attualmente si sta preparando per il prossimo periodo di osservazione degli strumenti LIGO-Virgo-KAGRA, in estate si unirà al laboratorio nazionale olandese Nikhef, dove si concentrerà sullo sviluppo teorico e di analisi dei dati per il telescopio Einstein. In effetti, il suo lavoro è rilevante per tutti questi progetti di onde gravitazionali attuali e pianificati.
Maria Haney e Shubhanshu Tiwari stanno mettendo insieme la loro esperienza nelle previsioni teoriche dei segnali e nello sviluppo dell'analisi dei dati per trovare anche le onde gravitazionali da quel tipo di eventi che finora non hanno ricevuto molta attenzione e che potrebbero quindi essere accantonati come rumore o mal interpretati. Finora, gli esperimenti hanno raccolto onde da sistemi stellari binari rotanti che si stanno fondendo lungo orbite circolari. E se queste orbite fossero eccentriche? "Tali segnali potrebbero essere rari, ma sembrerebbero molto diversi nei dati del rivelatore", afferma Haney. In un ambiente denso come un ammasso di galassie, i binari dei buchi neri potrebbero formarsi a distanze così brevi da non essere in grado di formare un'orbita circolare a causa della loro attrazione gravitazionale. "Questi sistemi sono molto interessanti perché possono dirci di più sul modo in cui funzionano i buchi neri", spiega Haney.
Mentre i rivelatori attualmente in funzione registrano costantemente eventi interessanti, i progetti futuri pianificati saranno in grado non solo di vedere una più ampia varietà di onde a causa delle loro diverse configurazioni, ma anche di registrarne molte di più. Se ottengono l'approvazione, l'Einstein Telescope inizierà intorno al 2035, LISA intorno al 2037. Le decisioni sono previste tra tre o quattro anni e, qualunque cosa accada, gli scienziati svizzeri giocheranno sicuramente un ruolo importante.
Contatto
Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP)
c/o Prof. Dr. Michele Weber
University of Bern
Laboratory for High Energy Physics LHEP
Sidlerstrasse 5
3012 Berna