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11 febbraio 2016

Albert Einstein aveva ragione, scoperte le Onde Gravitazionali

Il cervello di Einstein su iPad
Albert Einstein

Albert Einstein

Albert Einstein aveva ragione: lo conferma la sensazionale scoperta delle onde gravitazionali. 

Osservate le onde gravitazionali 100 anni dopo la Previsione di Albert Einstein: Unisannio progetta gli specchi dicroici di Advanced LIGO

Sono state per la prima volta osservate direttamente onde gravitazionali, increspature dello spazio-tempo, che si sono propagate fino a noi dopo essere state prodotte da un evento cataclismico avvenuto nell’universo remoto. È stata così confermata un’importante previsione della Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein formulata nel 1915, e si è aperta una nuova finestra, senza precedenti, per l’osservazione del cosmo.

Ma cosa sono le onde gravitazionali? Cosa diceva la teoria della relatività di Albert Einstein?

Le onde gravitazionali portano informazioni sui processi ad altissima energia da cui hanno origine e sulla natura dell’interazione gravitazionale, informazioni che non possono essere ottenute in altro modo. I ricercatori hanno dedotto che le onde gravitazionali osservate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di coalescenza di due buchi neri, che ha prodotto un unico buco nero rotante, di massa maggiore. La collisione di due buchi neri era stato prevista dai teorici, ma mai osservata finora.

Le onde gravitazionali sono state rivelate il 14 settembre 2015, alle 10.50:45 ora italiana (05:50:45 am EDT, 09:50:45 UTC) dai rivelatori interferometrici gemelli LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) collocati a Livingston, LO (USA) e Hanford, WA (USA). Gli osservatori LIGO sono finanziati dalla National Science Foundation (NSF) e sono stati concepiti, costruiti e gestiti dal California Institute of Technology (Caltech) e dal Massachussetts Institute of Technology (MIT). La scoperta, oggetto di un lavoro in corso di pubblicazione su Physical Review Letters, si deve alla LIGO Scientific Collaboration, LSC (di cui fanno parte la Collaborazione GEO, e lo Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy, ACIGA), e alla Collaborazione Virgo, che hanno utilizzato i dati raccolti dalle due antenne LIGO.

Gli esperimenti e la ricerca Italiana confermano la teoria della relatività di Albert Einstein

L’esperimento LIGO è condotto dalla Collaborazione Scientifica LIGO (LSC), che conta più di 1000 ricercatori provenienti dagli USA e da altri 14 Paesi. Sono oltre 90 le Università e gli Istituti di Ricerca che in LSC sviluppano le tecnologie su cui è basato il rivelatore e gli algoritmi per l’analisi dei dati.   La rete di rivelatori che fa capo a LSC comprende i due interferometri LIGO, e il rivelatore GEO-600. All’esperimento GEO-600 partecipano ricercatori del Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein Institut, AEI) e della Leibniz Universität Hannover, in collaborazione con le Università di Glasgow, Cardiff, Birmingham, ed altre Università del Regno Unito e l’Università delle Isole Baleari, in Spagna.

L’esperimento Virgo è condotto dalla Collaborazione Virgo, che conta più di 250 fisici ed ingegneri appartenenti a 19 gruppi di ricerca in Europa: 6 del Centre National de Recherche Scientifique (CNRS) francese; 8 dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano; 2 del Nationaal instituut voor subatomaire fysica (NIKHEF) in Olanda, il Wigner Research Center for Physics in Ungheria, il gruppo POLGRAW dell’Accademia delle Scienze Polacca (PAN) in Polonia, e il laboratorio dello European Gravitational Observatory (EGO), che ospita l’antenna Virgo, nei pressi di Pisa, Italia.

LIGO fu proposto originariamente come strumento per la rivelazione di onde gravitazionali da Reiner Weiss (professor of physics, emeritus, MIT), Kip Thorne (R.P. Feynman professor of Physics, emeritus, Caltech) Ronald Drever (professor of Physics, emeritus, Caltech) nel 1980.

La scoperta è stata resa possibile dalle migliorate caratteristiche di Advanced-LIGO, che con importanti miglioramenti ha permesso di aumentare la sensibilità dello strumento rispetto al rivelatore LIGO di prima generazione, estendendo considerevolmente il volume di Universo esplorabile, e ha fornito la scoperta durante il suo primo ciclo di osservazione.

La National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti è il principale Ente finanziatore di Advanced-LIGO. Enti finanziatori tedeschi (Max Planck Society), del Regno Unito (Science and Technology Facilities Council, STFC) e dell’Australia (Australian Research Council) hanno pure fornito sostegno significativo al progetto. Diverse tecnologie chiave, che hanno reso Advanced LIGO tanto più sensibile, sono state sviluppate e testate dalla collaborazione Anglo-Tedesca GEO. Importanti risorse di calcolo sono state fornite dallo Atlas-Cluster di AEI-Hannover, dal LIGO Laboratory, dalla University of Syracuse e dalla University of Wisconsin-Milwaukee. Varie Università hanno progettato costruito e testato componenti chiave di Advanced LIGO, tra cui: la Australian National University, la University of Adelaide, la University of Florida, la Stanford University, la Columbia University di New York, e la Louisiana State University.

Il contributo dell’Unisannio alla ricerca sulla previsione di Albert Einstein

Università degli Studi del Sannio di Benevento partecipa dal 2005 alla Collaborazione Scientifica LIGO attraverso il gruppo di ricerca guidato dal professor Innocenzo M. Pinto.

Si deve al gruppo del professor Pinto il progetto degli specchi dicroici di Advanced LIGO, realizzati dal Laboratoire des Matériaux Avancés (LMA – CNRS/IN2P3) di Lione (FR), basato su un metodo originale, sviluppato dai ricercatori del gruppo di Unisannio e testato in collaborazione col California Institute of Technology, per la minimizzazione del rumore termico in multistrati dielettrici ad altissima riflettività.

Le attività del gruppo sono state finanziate da UE (ELiTES – FP7), MIUR, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Regione Campania. 

L’osservazione e le antenne LIGO e la previsione fatta da Albert Einstein

Le antenne LIGO hanno registrato i segnali prodotti dalla coalescenza di un sistema binario costituito da due buchi neri, di massa stimata pari a circa 29 e 36 masse solari, e la conseguente formazione di un unico buco nero di circa 62 masse solari, rapidamente rotante (a circa 100 giri al secondo). Il sistema ha emesso un’energia pari a circa 3 masse solari in una frazione di secondo, sotto forma di onde gravitazionali. Le onde gravitazionali hanno impiegato circa 1,5 miliardi di anni per arrivare fino a noi, viaggiando alla velocità della luce. Sulla base del ritardo (circa 7 millisecondi) tra il segnale registrato dall’antenna LIGO-Hanford e quello registrato dall’antenna LIGO-Livingston (distante circa 4000 km) si è potuta anche stimare la posizione della sorgente nell’Emisfero Meridionale.

Si tratta della prima osservazione diretta di onde gravitazionali di origine cosmica e della prima osservazione del processo di coalescenza di due buchi neri.

La scoperta è stata annunciata dalle Collaborazioni LIGO e Virgo, mediante conferenza stampa, diffusa per via telematica, svoltasi simultaneamente a Washington (USA) e Cascina (Italia), sede dello European Gravitational Observatory (EGO) che ospita l’antenna Virgo.

L’intervento del prof. Innocenzo m. Pinto sulla previsione di Albert Einstein

“Si tratta di una scoperta epocale – ha dichiarato il prof. Innocenzo Pinto – dopo le osservazioni di Hulse e Taylor dell’evoluzione orbitale della pulsar binaria PSR1913+16 (premio Nobel 1993), che forniscono la prova indiretta dell’esistenza della radiazione gravitazionale. Questa è la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali, predette da Einstein con la sua Teoria Relativistica della Gravitazione (1915). È anche la prima osservazione diretta della coalescenza di un sistema binario di buchi neri e apre di fatto una nuova era, quella della gravitoastronomia, il cui impatto sulla conoscenza del cosmo sarà prevedibilmente paragonabile a quello prodotto dall’avvento della radioastronomia. L’osservazione diretta delle onde gravitazionali – ha continuato il prof. Pinto – permetterà di guardare nel cuore delle galassie, dove si formano ed evolvono buchi neri supermassivi, e la gravità è così intensa da mostrare pienamente la sua natura non lineare e dinamica, predetta da Albert Einstein, darà informazioni importanti sulla fisica della materia nelle condizioni estreme che caratterizzano le stelle di neutroni; permetterà di misurare l’espansione dell’Universo con grandissima precisione e ci fornirà le primissime immagini dell’Universo neonato, di molto precedenti quelle, pure straordinarie, fornite dalla cosiddetta radiazione elettromagnetica fossile”.

“Il nostro Paese, l’Italia, ha avuto un ruolo straordinario nella ricerca delle onde gravitazionali. La matematica che è servita ad Albert Einstein per formulare la Teoria della Relatività Generale è tutta italiana e si deve al genio di Tullio Levi Civita e Gregorio Ricci Curbastro”.

Edoardo Amaldi, uno dei ragazzi di via Panisperna, come erano chiamati gli allievi di Enrico Fermi, ideò e costruì le prime antenne risonanti criogeniche e comprese per primo il ruolo critico dell’analisi dei dati in questi esprimenti, formando un’intera generazione di ricercatori molti dei quali hanno dato contributi importanti al successo di questa impresa.

Adalberto Giazotto è stato il padre di Virgo, che insieme a LIGO è una delle tre grandi antenne interferometriche già realizzate. Anche a lui, alla sua tenacia, alla sua straordinaria visione, tutti noi oggi dobbiamo dire grazie.

“Sul piano personale, questo per me è un grande giorno – ha affermato il prof. Innocenzo Pinto -. Ho iniziato a occuparmi di onde gravitazionali trent’anni fa e ho avuto l’onore di essere uno degli autori del primo lavoro, pubblicato nel 1990 su Nuclear Instrumentation and Measurements, sull’esperimento Virgo. Sono membro, col mio gruppo di ricerca nell’Università del Sannio, della LIGO Scientific Collaboration dal 2005 e faccio parte di un pool di ricercatori europei (ELiTES, EU FP-7) che supportano la realizzazione dell’antenna gravitazionale giapponese KAGRA”.

“Negli ultimi anni, col mio gruppo di ricerca nell’Università del Sannio abbiamo inventato e sviluppato una tecnica che permette di minimizzare il rumore termico in multistrati dielettrici ad altissima riflettività. Col supporto dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare abbiamo realizzato dei prototipi e li abbiamo testati con successo nei laboratori del California Institute of Technology. La nostra tecnologia è stata scelta da LSC per realizzare gli specchi dicroici dell’antenna LIGO, che sono stati prodotti dal Laboratoire de Materiaux Avances di Lione sulla base dei nostri risultati.”

“Penso che questo sia un buon esempio di pregevole artigianato scientifico che una piccola Università come UniSannio è riuscita a realizzare contribuendo ad un grande esperimento come LIGO. Si tratta di un piccolo pezzo di una macchina enorme ma è un pezzo abbastanza importante, perché determina la sensibilità del rivelatore LIGO nella banda di frequenze in cui il rumore è più basso, in cui rientra l’osservazione di cui parliamo oggi, e un gran numero sorgenti potenzialmente osservabili. In prospettiva, minimizzare il rumore termico è indispensabile se si vuol raggiungere (ed eventualmente superare) la barriera del rumore quantistico dello strumento”.

“È anche importante sottolineare – ha concluso Pinto – che i risultati ottenuti per la riduzione del rumore termico nei multistrati ad altissima riflettività potranno avere ricadute importanti in altri settori applicativi di punta, quali, ad esempio, la microscopia AFM, i laser ultrastabilizzati e gli orologi atomici.”


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