Cinque anni fa, alle 11.51 (ora italiana) del 14 settembre 2015, venivano rilevate le onde gravitazionali prodotte dalla collisione di due buchi neri. Due eventi, questi, che fino ad allora non erano mai stati “osservati”. I primi ad accorgersi di ciò che stava accadendo furono Gabriele Vedovato, fisico dell’Infn di Padova, e Marco Drago, addottorato nell’ateneo padovano, in quel momento all’Albert Einstein Institute di Hannover, che immediatamente dettero la notizia a centinaia di ricercatori in tutto il mondo. Con una massa rispettivamente di 29 e 36 volte quella del Sole, i due buchi neri hanno spiraleggiato, scontrandosi a una velocità di circa 150.000 chilometri al secondo e culminando nella formazione di un singolo buco nero rotante di massa pari a 62 volte quella del Sole e alla distanza di 1,3 miliardi di anni luce. A permettere la scoperta – che a distanza di 100 anni confermava una delle più importanti predizioni della teoria della relatività generale di Einstein – furono i due interferometri del progetto Ligo (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), situati rispettivamente a Livingstone in Louisiana e a Hanford, Washington. Congiuntamente con il gruppo Virgo (che comprendeva fisici e ingegneri di cinque Paesi europei tra cui l’Italia) furono poi studiati i dati prodotti dai due rivelatori.

Quella delle onde gravitazionali è stata definita la scoperta del secolo. Nel 2017, proprio per aver ideato e promosso la costruzione degli interferometri Ligo, il premio Nobel per la fisica viene assegnato a Rainer Weiss, professore emerito di fisica al Massachussets Institute of Technology, Barry Clark Barish, professore emerito di fisica al California Institute of Technology (Caltech) e Kip Stephen Thorne, professore di fisica teorica al Caltech fino al 2009.

Barry Clark Barish, premio Nobel per la fisica nel 2017. Foto Reuters / Ringo Chiu

Barry Clark Barish in questi giorni è al Festival della Scienza di Genova e con lui – che, fin dagli anni Novanta, ha dato un contributo cruciale allo sviluppo di Ligo – abbiamo discusso del significato del traguardo raggiunto nel 2015, seguito peraltro negli anni da altri risultati di rilievo. Il 17 agosto 2017, infatti, i due rivelatori Ligo e Virgo captano un nuovo segnale di onde gravitazionali che non proviene dalla collisione di due buchi neri, ma dalla fusione di due stelle di neutroni. Per la prima volta,  oltre alle onde gravitazionali vengono rilevate anche onde elettromagnetiche, emesse in tutto lo spettro di frequenza: è l’inizio dell’astronomia multimessaggero, definita “l’equivalente astronomico della globalizzazione”. E ancora, sempre la collaborazione Ligo e Virgo, in uno studio pubblicato a giugno di quest’anno, annuncia la scoperta di un oggetto di 2,6 masse solari, rivelato il 14 agosto 2019 mentre si fondeva con un buco nero di 23 masse solari, generando onde gravitazionali. Non si sa se si sia trattato di un buco nero o di una stella di neutroni, ma ha comunque rappresentato un record: sarebbe infatti il buco nero più leggero ad oggi conosciuto (quelli finora noti non sono inferiori a 5 masse solari) o la stella di neutroni più pesante (quelle conosciute raggiungono le 2,5 masse solari).

Infine, il Nobel per la fisica 2020 premia proprio lo studio dei buchi neri: il riconoscimento è andato a Roger Penrose “per la scoperta che la formazione dei buchi neri è una robusta previsione della teoria generale della relatività”, e congiuntamente a Reinhard Genzel e ad Andrea Ghez “per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia”.

Professor Barish, perché la scoperta delle onde gravitazionali è stata così importante?

La scoperta dimostra un'importante previsione della teoria della gravitazione di Einstein e cioè l'esistenza delle onde gravitazionali. Aspetto ancora più importante, apre a un nuovo tipo di scienza. Sarà possibile innanzitutto testare in modo dettagliato la teoria della relatività generale formulata da Einstein, confrontandola con le proposte avanzate da altri scienziati. Sebbene infatti sia stato Einstein a elaborare la teoria, esistono teorie alternative che non coinvolgono la fisica quantistica. Queste implicano differenze tecniche che si traducono in differenti osservazioni, incluse teorie vettoriali, teorie scalari e la cosiddetta costante cosmologica. La loro verifica comporta misurazioni dettagliate e il confronto con i dati o forme d’onda delle onde gravitazionali. Un obiettivo più lontano è la speranza di sviluppare una teoria quantistica della gravità. Ciò potrebbe unificare la fisica quantistica e la relatività generale. La fisica quantistica spiega i fenomeni a distanze molto brevi, come la fisica al Cern, mentre la relatività generale spiega la fisica a lunghe distanze, come Ligo. In una prospettiva più ampia, si colloca la speranza di sviluppare una teoria unificata.

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— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 3, 2017

Prospettive interessanti…

La scoperta delle onde gravitazionali introduce un modo totalmente nuovo ed eccitante di guardare al nostro universo, attraverso i fenomeni gravitazionali. Quello che sappiamo sull'Universo proviene da molti tipi di telescopi, ma tutti osservano segnali di origine elettromagnetica, inclusi la luce visibile, gli infrarossi, gli ultravioletti, microonde, onde radio. Molti fenomeni non emettono radiazioni elettromagnetiche, ma possono avere effetti gravitazionali che danno onde gravitazionali. Un buon esempio sono i buchi neri, che danno segnali gravitazionali, ma non segnali elettromagnetici. Alcuni fenomeni producono entrambi, come abbiamo rilevato con Ligo e numerosi telescopi dalla collisione di due stelle di neutroni. Essere in grado di vedere i segnali delle onde gravitazionali, oltre alle onde elettromagnetiche, ci permette di osservare in modo ampio il nostro universo.

Da lì in poi cosa è cambiato nello studio dell’universo?

Abbiamo imparato che i buchi neri grandi decine di volte la massa del nostro sole esistono, si trovano in sistemi binari, collidono e si fondono. Inoltre, abbiamo visto anche stelle di neutroni collidere, fornendo una nuova spiegazione sul modo in cui elementi pesanti, come l'oro, abbiano avuto origine sulla Terra quando si è formata.

Le due collaborazioni Ligo e Virgo sono il risultato di una ricerca che coinvolge più di 1.000 fisici di tutto il mondo. Quanto contano in questo settore di ricerca le collaborazioni scientifiche internazionali?

I progetti scientifici più ambiziosi e difficili per avere successo hanno bisogno dei migliori talenti del mondo in molte aree diverse, dalla fisica teorica, al calcolo avanzato, all'analisi dei dati. Necessitano della strumentazione più avanzata e di un coordinamento affidabile. Quindi, una partecipazione il più ampia possibile a livello internazionale garantisce i risultati migliori in ambito scientifico.

Lei ha dedicato un’intera carriera allo studio delle onde gravitazionali. Come ha vissuto l’assegnazione del Nobel?

L'assegnazione del Nobel è stata la convalida finale dei risultati che abbiamo conseguito, ma raggiungere l’obiettivo di “osservare” le onde gravitazionali, nel nostro rivelatore e dal nostro gruppo, ha dato ai miei colleghi e a me il riconoscimento scientifico della nostra missione.

Ritiene sia importante interessare le persone alla scienza?

Viviamo tutti in una società moderna in cui la nostra vita quotidiana è modellata dalla scienza e dalla tecnologia. Ma come possiamo essere a pieno titolo esseri umani che vivono in questo mondo, se non abbiamo una comprensione certa del mondo in cui viviamo? Guardiamo la televisione, cuciniamo al microonde, ma come funzionano questi strumenti? Viaggiamo in aereo, ma questo mezzo come riesce a volare? O ancora, passiamo ore con i nostri cellulari, ma in che modo questi riescono a geolocalizzarci, a inviare messaggi o a far sentire le nostre voci? E c’è un aspetto ancora più importante: come esseri umani siamo curiosi e ci chiediamo come tutto inizi. Ci domandiamo cosa sia la vita, la coscienza. Ci chiediamo se ci sia vita altrove. Le meraviglie della natura, della vita, il nostro sapere, ma anche ciò che ci rimane ancora da esplorare, ci rendono esseri umani più ricchi.