La fisica italiana che ha permesso di sentire le voci dall’origine dell’Universo

Le ricerche condotte dalla Buonanno hanno a che fare con le onde gravitazionali, gli ultimi messaggeri dell'universo che siamo riusciti a scovare dopo anni e anni di ricerche. Previste dalle equazioni prodotte dal genio di Einstein con la Relatività generale, ci danno conto di quel che avviene quando due buchi neri spiraleggiano uno attorno all'altro, o qualcosa di simile fanno coppie di stelle di soli neutroni, o ancora cosa succedeva subito dopo il Big bang. E con subito dopo intendiamo infinitesime frazioni di secondo. Impensabile.

«Le onde gravitazionali si generano quando corpi celesti molto compatti e di grande massa accelerano, e sono molto forti se a coppie spiraleggiano, per poi fondersi, raggiungendo velocità prossime a quelle della luce», spiega Buonanno, e portano con sé «l'impronta digitale di chi l'ha prodotta».

Il fatto è che da Einstein in poi i fisici hanno capito che spazio e tempo sono connessi fra loro da una relazione di interdipendenza, quasi fossero trama e ordito di un tessuto in cui l'universo si posa.

Queste masse enormi - teniamo conto che un buco nero può avere da poche volte, diciamo dieci, a un milione di volte la massa del nostro sole - producono con il loro moto delle increspature in questo tessuto dello spazio-tempo: le onde gravitazionali che si muovono alla velocità della luce.

L’interferometro Virgo nei pressi di Pisa

Benissimo, ma allora quale è il problema e perché ci abbiamo messo cento anni per riuscire a catturarle? Perché ci arrivano sì, ma sono debolissime e per catturarle e distinguerle abbiamo bisogno di strumenti raffinatissimi, come l'interferometro Virgo che sta a Pisa, con raggi laser che corrono su due bracci perpendicolari lunghi chilometri e che si spostano di frazioni infinitesime di millimetro se sono attraversati da un'onda gravitazionale.

«È come cercare di sentire una voce flebile e sottile in uno stadio di gente urlante - spiega Buonanno con un esempio che ci fa capire subito -. Quel che ho fatto io, e anche l'altro collega, è cercare di fare un modello di come deve essere questa voce, così la ricerca viene semplificata».

In pratica se sai come deve essere questa voce sarà un poco più semplice distinguerla nella confusione dello stadio che urla. Certo, ma non semplicissimo visto ci sono voluti due decenni e un metodo furbissimo, come dicono a volte gli scienziati.

Le equazioni di Einstein sono infatti piuttosto complicate e non riusciamo a risolverle in modo esatto con carta e penna, possiamo usare due strade diverse: calcolarle passo passo con potenti computer, con grande dispendio di tempo di calcolo, oppure tentare di farlo con carta e penna in modo approssimato. Entrambi i metodi vanno bene, è quel che riusciamo a fare, ma l'idea vincente è stata quella di confrontare i modelli risolti carta e penna della Buonanno con quelli risolti con il computer dall'altro vincitore.

«Con questo siamo riusciti in un processo che assomiglia alla progressiva messa a fuoco, diciamo così, di un'immagine». In pratica, grazie al lavoro di Buonanno e dei suoi collaboratori, oggi disponiamo di una ampia base di dati, centinaia di migliaia di “filtri” da applicare ai segnali rivelati dalle antenne gravitazionali come Virgo.

E ci aiutano a capire se il segnale è immerso nel rumore e se si tratta di una coppia di buchi neri che si corteggiano alla velocità della luce, prima di fondersi, o di una coppia di piccole e iperdense stelle di neutroni che fanno lo stesso.

Scoprire questi segnali è importantissimo perché portano con sé l'identità del corpo celeste e del fenomeno che le ha provocate, così abbiamo informazioni che nessun telescopio ottico o radio potrebbe mai darci.

Le stelle e le galassie parlano insomma tante lingue diverse e a capirle tutte ci vuole tempo, ma ci si guadagna in conoscenza.

Egualmente le onde gravitazionali sono l'unica sorgente di informazione che possiamo avere sui primi attimi dell'Universo, quando iniziò un'espansione tanto veloce e violenta da andar e oltre le leggi della fisica che conosciamo.

È l'inflazione iniziale, e l'energia e materia che si mossero allora con violenza e velocità inaudita deve aver prodotto onde gravitazionali, che ci possono fornire la carta d'identità di quel periodo in cui ancora la luce non riusciva a irradiarsi. «Ma non ce la facciamo ad oggi a vederle, la sensibilità dei rivelatori che abbiamo, per quanto sofisticati, non è sufficiente»,

Alessandra Buonanno, lavora fra Europa - è direttrice del Dipartimento di “Relatività Astrofisica e Cosmologica” all’Istituto Max Planck per la Fisica Gravitazionale di Potsdam - e gli Stati Uniti, di cui ha anche la nazionalità e ci tiene a sottolineare come questi risultati premiati con la sua persona siano comunque il risultato del lavoro di gruppi di ricercatori, anche molti giovani, che lavorano nelle collaborazioni messe in piedi da tanti scienziati e dalla Buonanno stessa che, come tutte le persone di valore, si dimostra generosa e altruista.