Una grande “V” tracciata nella campagna pisana. È la firma lasciata sul paesaggio dall’esperimento Virgo, una collaborazione fra ricercatori italiani dell’Istituti Nazionale di Fisica Nucleare e quelli francesi del Cnrs, che verrà inaugurato il 23 luglio 2003. L’imponente apparato sperimentale – un interferometro con due tubi a vuoto lunghi tre chilometri disposti perpendicolarmente – rivelerà uno fra i fenomeni più impercettibili che la fisica moderna si propone di studiare: il passaggio di onde gravitazionali. Virgo, infatti, non è altro che l’ultimo strumento prodotto per indagare un problema molto antico. Quello della natura dell’attrazione fra i corpi, ovvero della forza di gravità. La prima che sia stata studiata, ma anche la più difficile da conciliare col quadro teorico della fisica moderna.
“La forza gravitazionale presenta una vistosa anomalia rispetto alle altre tre”, afferma Adalberto Giazotto, responsabile del Progetto Virgo. “Infatti è di decine di ordini di grandezza meno intensa delle forze elettromagnetica, debole e forte”. Inoltre, la teoria prevede che la gravitazione si manifesti attraverso onde. Infatti, come dalle equazioni di Maxwell si deduce l’esistenza delle onde elettromagnetiche (per esempio quelle luminose o quelle della radio), da quelle di Einstein si deduce l’esistenza delle gravitazionali. Della loro presenza hanno fornito una prova indiretta J.H. Taylor e R.A. Hulse, che per questo hanno ricevuto il Nobel nel 1993. I due ricercatori hanno studiato la perdita di energia di una coppia di stelle di neutroni, ricavando un significativo accordo con la teoria di Einstein.
L’osservazione diretta delle onde, però, è ancora una sfida aperta. In ballo non c’è solamente la verifica di una previsione teorica. “Le onde gravitazionali porteranno con sé moltissime informazioni”, prosegue Giazotto. “Infatti, hanno la proprietà di passare indenni attraverso porzioni di materia a densità altissima. Come quella presente subito dopo il Big Bang. Se in futuro si riuscisse a rivelare una radiazione di fondo composta di onde gravitazionali, si potrebbero avere informazioni risalenti fino a 10-47 secondi dall’istante zero dell’universo. Oggi si può giungere al massimo – grazie ad acceleratori di particelle – a situazioni di densità e temperatura corrispondenti a 10-10 secondi dopo il Big Bang”.
La rivelazione delle onde, tuttavia, è tutt’altro che banale. Il loro passaggio corrisponde a una “distorsione dello spazio-tempo”. In altre parole, alla produzione di forze tali che la distanza tra due masse altrimenti libere, aumenta e diminuisce alternativamente al passaggio dell’onda. Questa variazione, tuttavia, è minuscola, e dipende dalla distanza che separa le masse libere. Per due punti separati da pochi chilometri è cento milioni di volte più piccola della grandezza di un atomo.
Nel caso dell’esperimento pisano alle estremità dei lunghi bracci, opportunamente prolungati fino a 100 chilometri grazie a un sistema di riflessioni, vengono posti due specchi. Per rivelare le distorsioni dello spazio-tempo, Virgo utilizza la tecnica dell’interferometria. Lungo i due bracci ortogonali della grande “V” vengono proiettati due raggi laser che, incontrandosi al punto di intersezione producono una figura d’interferenza. Quando passa un’onda gravitazionale, la distanza fra gli specchi viene modificata, e questo si ripercuote in un cambiamento della figura d’interferenza.
Ma da dove dovrebbero venire le onde? “Per ottenere ampiezze abbastanza grandi da essere rivelate, è necessario coinvolgere masse enormi”, spiega Giazotto, “come i grandi corpi celesti”. Possibili sorgenti sono l’esplosione di una Supernova o la rotazione di una coppia di buchi neri o una stella di neutroni. L’interferometro è in grado di rivelare fenomeni come questi all’interno del “Virgo cluster” (che dà il nome all’esperimento), un insieme di circa 2000 galassie a distanza di 1000 diametri galattici dalla Terra. “Purtroppo non si può prevedere l’occorrenza di eventi come questi, quindi non possiamo dire quando l’esperimento ne capterà le onde”. Un altro problema è quello della validità dell’eventuale osservazione. “Per questo nel mondo esiste una rete di osservatori per onde gravitazionali”, conclude Giazotto. “Se dovesse passare un’onda quindi la sua rilevazione dovrebbe essere confermata da tutti”.
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