Nel 2015, la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali da parte dell’esperimento LIGO ha sconvolto i paradigmi scientifici e affascinato il mondo. Queste minuscole increspature nel tessuto spaziale erano state previste dalla teoria della relatività di Einstein, ma non erano mai state osservate prima. Si creano quando oggetti come buchi neri in fusione o stelle in esplosione subiscono un movimento violento e asimmetrico. Quando le onde gravitazionali raggiungono la Terra, provocano una compressione e un allungamento delle distanze pari a meno di un millesimo della larghezza di un protone. Tuttavia, esse offrono uno sguardo senza precedenti sugli eventi più estremi che si svolgono nel cosmo.
I pionieristici rivelatori LIGO hanno individuato le onde gravitazionali di una coppia di buchi neri a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Gli strumenti LIGO erano sufficientemente sensibili per rilevare rare collisioni che avvenivano relativamente vicine su scala cosmica. Per per sondare tutto il nostro universo osservatori più avanzati sono necessari.
Spingersi oltre i limiti con il telescopio Einstein
Questa è la motivazione alla base dell’Einstein Telescope (ET), un progetto di onde gravitazionali di nuova generazione. Con una sensibilità 10 volte superiore a quella dei rivelatori attuali, l’ET catturerebbe eventi in quasi tutto il cosmo visibile.
I suoi obiettivi sembrano fantascientifici: mega-osservatori situati nel sottosuolo, che utilizzano laser e ottiche all’avanguardia della fisica quantistica per individuare le collisioni tra buchi neri a miliardi di anni luce di distanza. Tuttavia, secondo i progettisti, le tecnologie di base per raggiungere questo obiettivo sono a portata di mano.
L’ET comprenderebbe interferometri multipli situati a centinaia di metri sotto la superficie terrestre. Scendendo in profondità nel sottosuolo, il rumore ambientale prodotto dalle attività umane, dalle condizioni atmosferiche e persino dagli oceani può essere drasticamente attutito. Gli strumenti stessi avranno bracci lunghi oltre 10 chilometri, quasi 4 volte più lunghi di Advanced LIGO. Questo amplia la linea di base per catturare disturbi più deboli nello spaziotempo. Sistemi ottici all’avanguardia, tra cui laser da centinaia di kilowatt e specchi sospesi raffreddati a -269 C, controlleranno i rumori fino ai limiti quantistici fondamentali. I progressi, come la compressione delle fluttuazioni del vuoto e il filtraggio delle scosse sismiche attraverso sistemi a pendolo, spingeranno la sensibilità ancora più in là.
Il risultato sarà un osservatorio in grado di cogliere le increspature settimanali delle coppie di stelle di neutroni in coalescenza in quasi tutto l’universo visibile. Si prevede che i risultati scientifici derivanti dalla mappatura di precisione di campioni così ampi di eventi cosmici saranno rivoluzionari.
Sbloccare l’astrofisica estrema
Una delle principali motivazioni scientifiche dell’ET è l’esplorazione dei fenomeni negli ambienti gravitazionali più estremi che l’universo possa offrire. Quando le stelle di neutroni e i buchi neri si uniscono a spirale e alla fine si scontrano, formano gli oggetti massicci più compatti che le teorie prevedono, prima di finire nell’oblio. Le osservazioni dell’ET potrebbero fornire una visione senza precedenti delle proprietà e delle interazioni fondamentali della materia e dello spaziotempo in condizioni estreme di densità, temperatura e campi gravitazionali, non tangibili in nessun altro luogo.
Catturando le binarie in fusione nella maggior parte dell’universo visibile, è possibile mappare le distribuzioni di massa, spin e carica con una precisione senza precedenti. Ad esempio, potrebbe essere possibile stimare con una precisione del 5% la massa massima che una stella di neutroni può raggiungere prima di collassare in un buco nero. Questo potrebbe aiutare a definire in modo decisivo i modelli che governano la materia a densità sopranucleare all’interno dei nuclei di stelle di neutroni. I segnali gravitazionali ed elettromagnetici coincidenti di eventi come le supernove e i gamma-ray burst possono completarsi a vicenda ede ssere studiati simultaneamente per fornire un quadro più completo della loro intricata astrofisica. Se esistono alcuni candidati alla materia oscura, le loro firme gravitazionali potrebbero anche essere ricavate dalle osservazioni di grandi popolazioni di fusioni compatte.
Un’infrastruttura sotterranea
Trasformare il concetto di ET in realtà è un’enorme sfida ingegneristica che richiede lo sviluppo di tecnologie all’avanguardia in diversi campi, dall’ottica quantistica alla criogenia. Il semplice alloggiamento delle strutture interferometriche rappresenta uno dei maggiori costi previsti. Per isolare gli strumenti dalle minime vibrazioni del terreno, è necessario installarli a circa 200 metri di profondità in un sito sismicamente tranquillo. Le strutture devono estendersi su diverse grandi caverne unite da oltre 10 km di gallerie scavate nella roccia solida. Sarà inoltre fondamentale controllare le minime derive di temperatura e le interferenze elettromagnetiche che potrebbero oscurare le letture sensibili.
Sfruttare i tunnel sotterranei su questa scala implica costi che si avvicinano al miliardo di euro o più solo per la preparazione del sito e lo scavo. Per raggiungere gli obiettivi sono inoltre necessari l’utilizzo di significativi alla potenza del laser, ai rivestimenti degli specchi, ai sistemi di sospensione e all’hardware di controllo. Tuttavia, nessuna singola tecnologia sembra costituire un ostacolo ineludibile, data la portata della tempistica di progettazione di ET. La sfida più grande, invece, potrebbe essere l’integrazione di tutti i componenti in un osservatorio funzionante su questa scala. La gestione delle sollecitazioni dovute a fattori come i piccoli assestamenti del terreno potrebbe introdurre complessità assenti nei laboratori di superficie. Per raggiungere gli obiettivi di sensibilità, sarà fondamentale comprendere l’accoppiamento del rumore tra i diversi sistemi.
Il percorso di costruzione
L’ET è attualmente in una fase iniziale di studio di progettazione concettuale finanziata dalla Commissione europea, con la partecipazione di partner internazionali. Questa fase prevede la definizione di costi di costruzione basati su simulazioni del sito, la definizione dei parametri chiave degli strumenti attraverso strumenti di simulazione e l’esame delle questioni scientifiche fondamentali che una struttura così ambiziosa potrebbe sbloccare. I risultati ottenuti finora confermano l’immenso potenziale di scoperta e non sono ancora sorti ostacoli insormontabili.
La tempistica provvisoriamente prevista prevede che la progettazione finale e la prototipazione avvengano nei prossimi anni. La preparazione del sito e la costruzione dell’ET dovrebbero quindi iniziare più avanti nel decennio, ponendo le basi per la messa in funzione nel 2030, dopo quasi un decennio di lavoro. Con un po’ di fortuna, negli anni 2030 l’astronomia delle onde gravitazionali potrebbe trasformarsi da campo nascente a sonda di frontiere cosmiche: una prospettiva entusiasmante!
Gli enormi costi e la rete di collaboratori necessari per realizzare un progetto della portata di ET porranno indubbiamente degli ostacoli organizzativi. Ma i ritorni astronomici promettono di valere lo sforzo. Se la tecnologia può diventare realtà, i segreti svelati da questo nuovo messaggero cosmico sembrano limitati solo dall’immaginazione. Dallo scrutare le origini invisibili dei buchi neri dei lampi di raggi gamma al pesare le particelle di materia oscura, la scienza resa possibile dall’apertura di questo nuovo spettro sull’universo lascia a bocca aperta. Forse all’ET mancano ancora anni, ma sembra già pronto a portare l’astronomia delle onde gravitazionali ben oltre i suoi primi passi da gigante.
