ASCOLTARE L’UNIVERSO ATTRAVERSO LE ONDE GRAVITAZIONALI

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Data di lancio fissata per il prossimo 2 ottobre
La missione LISA Pathfinder è stata concepita dal team del Laboratorio di Gravitazione sperimentale dell’Università di Trento insieme ai colleghi del Max Planck di Hannover. Trento ha anche disegnato e guidato lo sviluppo industriale di una parte essenziale della strumentazione, i sensori inerziali.
di Stefano Vitale

La forza di gravità domina l’Universo. Il moto delle stelle e delle galassie, i grandi cataclismi cosmici come il big bang o i buchi neri, dove spazio e tempo spariscono, sono fenomeni dovuti o dominati dalla gravità. La gravità agisce a grandi distanze. Seppure molto indebolita dalla distanza, su di noi agisce la gravità prodotta da corpi celesti lontanissimi. In particolare arrivano fino a noi, come tenuissimi fremiti e viaggiando alla velocità della luce, i violenti cambiamenti nella gravità dovuti al moto, parimenti violento, di corpi celesti grandi come stelle o addirittura come galassie. Queste piccole vibrazioni della gravità, le onde gravitazionali, sono state previste da Einstein e ne è stata osservata indirettamente l’emissione da alcuni sistemi celesti. Esse sono tuttavia così deboli che ancora non siamo stati in grado di rivelarle con uno strumento di fabbricazione umana, anche se ci stiamo provando con determinazione e grande impiego di mezzi.

Le onde gravitazionali sono il messaggero ideale per osservare l’Universo. Esse attraversano indisturbate qualunque forma di materia o energia, sono emesse da tutti i corpi, visibili o oscuri, ne registrano il moto e portano l’informazione sino a noi dalle profondità più remote dell’Universo. Possiamo paragonarle al suono: arrivano da sorgenti nascoste dietro altri oggetti, come suoni di animali nascosti in una foresta, e ci permettono di individuarle, riconoscerle, valutarne la distanza e seguirne il movimento. Ci raggiungono da sorgenti che non emettono luce, come suoni di notte. Ascoltare l’Universo attraverso le onde gravitazionali promette una profonda rivoluzione in astrofisica, astronomia e cosmologia come quelle dovute all’invenzione del telescopio o dei radiotelescopi.
Il principio di rivelazione delle onde gravitazionali è relativamente semplice. Le onde esercitano forze gravitazionali con la tipica forma della “marea”. Si comportano come la gravità della Luna, che attira un po’ di più le parti della Terra più vicine a essa e un po’ meno quelle più lontane, imprimendo al pianeta quella caratteristica deformazione a “palla da rugby” che chiamiamo “marea”. Le onde gravitazionali tenderebbero a dare a un qualunque corpo una deformazione simile, seppure molto più piccola, e oscillante nel tempo con periodi fra le frazioni di secondo e l’ora, dunque decisamente più brevi delle sei ore della marea terrestre. Per rivelare le onde gravitazionali, occorrono quindi due corpi lontani fra loro (più sono lontani meglio è), come due parti distanti della Terra; bisogna poi misurare con grande precisione eventuali variazioni della loro distanza. Nel rivelatore spaziale di cui parliamo più sotto, le particelle sono due cubetti d’oro-platino di 2 kg ciascuna, poste a 1 milione di chilometri unaoca dell’astronomia gravitazionale sarà cominciata e potremo finalmente sentire il dall’altra, e le variazioni di questa distanza, dovute alle onde gravitazionali, sono attese essere di decine di miliardesimi di millimetro.

Grandi osservatori terrestri vengono sviluppati da molti anni in collaborazioni internazionali in Europa, negli Stati Uniti e in Giappone; la loro versione più avanzata sta entrando in funzione proprio quest’anno. Un grande osservatorio spaziale, noto con la sigla LISA o più recentemente eLISA, orbitante intorno al Sole, è allo studio da anni da parte dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA). Questa sarà la terza della serie di grandi missioni spaziali pianificate dall’ESA che proprio quest’anno l’ESA lancerà la missione LISA Pathfinder, sviluppata nel corso degli ultimi dieci anni, dedicata a provare nello spazio la sofisticata strumentazione necessaria per realizzare l’osservatorio.

La missione è stata concepita dal team del Laboratorio di Gravitazione sperimentale dell’Università di Trento insieme ai colleghi del Max Planck di Hannover. Trento ha anche disegnato e guidato lo sviluppo industriale di una parte essenziale della strumentazione, i sensori inerziali. Questi sensori consistono in un sofisticato sistema il cui scopo principale è sospendere all’interno dei satelliti, prima di LISA Pathfinder e poi di eLISA, i due cubetti di oro-platino citati sopra senza nessun contatto con il resto del satellite, il cui moto relativo dovrebbe essere sensibile solo alle onde gravitazionali. Per dare un’idea, qualunque forza più grande di cento miliardesimi di miliardesimo della forza peso che questi cubetti sentirebbero sulla Terra, approssimativamente il peso di un batterio, sarebbe un disturbo apprezzabile per LISA Pathfinder.

Questo ruolo di Trento, esercitato con il supporto finanziario dell’INFN, ora rappresentato a Trento dal TIFPA, e dell’ASI, ha valso al responsabile del laboratorio il ruolo di Principal Investigator (responsabile scientifico) dell’intera missione.
LISA Pathfinder ha una data di lancio fissata al 2 ottobre prossimo. Gli scienziati di Trento lavorano a ritmo frenetico per gli ultimi test e le ultime operazioni prima del lancio. Ancora più intensamente lavorano a preparare le operazioni della missione, che avranno inizio nella primavera prossima, dopo due mesi di crociera del satellite verso la sua orbita interplanetaria, e dureranno circa sei mesi. Infatti, per le operazioni di LISA Pathfinder, al contrario di quello che avviene normalmente per le missioni scientifiche, data la grande sofisticazione della strumentazione, il team del Principal Investigator siederà nello Science Operation Center. E le operazioni stesse sono state disegnate in collaborazione fra il team scientifico, che comprende l’ESA, il gruppo di Trento e alcune decine d’istituti in 7 Paesi europei e negli Stati Uniti.

Se tutto va bene, alla fine delle operazioni si potrà passare alla realizzazioni di eLISA, l’epoca dell’astronomia gravitazionale sarà cominciata e potremo finalmente sentire il concerto dei suoni dell’Universo. Stay tuned!

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Laboratorio di Gravitazione sperimentale
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