VERSO EINSTEIN TELESCOPE – INTERVISTA A MARICA BRANCHESI

Intervista realizzata per la newsletter Particle Chronicle dell’INFN a Marica Branchesi, membro del comitato tecnico scientifico nominato dal Ministero dell’Università e della Ricerca per la promozione della candidatura italiana a ospitare Einstein Telescope in Sardegna, e già protagonista — con il ruolo di coordinatrice tra la collaborazione degli interferometri gravitazionali LIGO/Virgo e la rete di telescopi elettromagnetici — di uno dei capitoli fondamentali della storia delle onde gravitazionali: la prima rivelazione di onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due stelle di neutroni.

A poco più di un anno dallo storico annuncio dell’11 febbraio 2016 della prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali, prodotte dalla fusione di due buchi neri, le collaborazioni LIGO e Virgo annunciano, il 16 ottobre 2017, un’altra prima osservazione: quella di onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due stelle di neutroni. Ci spiega perché quel risultato è stato così straordinario e perché ha sancito la nascita dell’astronomia multimessaggera?
È stato un evento eccezionale. Abbiamo potuto osservare la fase finale dello spiraleggiamento di due stelle di neutroni, mentre orbitavano l’una attorno all’altra, fino alla loro fusione. Era un segnale molto lungo, di circa un minuto, più lungo di quelli prodotti dalla fusione di sistemi binari di buchi neri. Per questo abbiamo capito subito che si trattasse di un evento diverso. E la cosa straordinaria è stata che, in concomitanza con quel segnale, anche il telescopio spaziale FERMI ha registrato un lampo di raggi gamma (o gamma-ray burst), e lo stesso ha fatto il telescopio spaziale INTEGRAL. A quel punto, è partita la campagna osservativa più estesa della storia dell’umanità. Abbiamo visto segnali in tutte le bande della radiazione elettromagnetica: dopo dodici ore dal segnale di raggi gamma abbiamo osservato il segnale ottico, qualche giorno più tardi è arrivato il segnale X, poi il radio; e sostanzialmente ci sono ancora osservazioni della regione dove è avvenuta la fusione. Per la prima volta siamo riusciti a combinare insieme i segnali provenienti da due “messaggeri cosmici”, onde gravitazionali e fotoni, e questo ha avuto un impatto scientifico enorme su tanti campi di ricerca. Sull’astrofisica relativistica, per esempio, perché l’osservazione della fusione delle stelle di neutroni attraverso le onde gravitazionali, seguita dalla rivelazione gamma-ray burst e dalle successive osservazioni su quasi tutto lo spettro ellettromagnetico, e in particolare nel radio, hanno confermato che lì è stato prodotto un getto relativistico, di cui abbiamo potuto capire per la prima volta la struttura. E grazie ai telescopi ESO (European Southern Observatory), abbiamo anche osservato per dieci giorni gli spettri di kilonova, ossia l’impronta chimica e termica del materiale espulso durante la fusione. Queste osservazioni ci hanno spiegato come e dove si formano gli elementi pesanti nell’universo. Dall’intensità ed evoluzione di colore di questi spettri, infatti, è possibile fare delle stime su quali elementi si formano e in che quantità; l’oro, per citarne uno, è presente in quantità comprese tra le 10 e le 100 masse terrestri, che si disperdono nel mezzo interstellare, dove si formano stelle e pianeti come la Terra. Ma l’evento ha avuto implicazioni importanti anche dal punto della fisica fondamentale. Mettendo insieme il segnale gravitazionale ed elettromagnetico, abbiamo iniziato a comprendere meglio la natura delle stelle di neutroni, sebbene le stime dei parametri della sorgente siano ancora affette da incertezze significative. E combinando la distanza ricavata dalle onde gravitazionali con il redshift della galassia ospite, abbiamo potuto stimare – anche qui con grandi errori – la costante di Hubble, ovvero la velocità di espansione dell’universo, inaugurando un nuovo modo di fare cosmologia. Infine, misurando il ritardo temporale tra l’arrivo dell’onda gravitazionale e quello del gamma-ray burst – pari ad appena 1,7 secondi – abbiamo potuto determinare la velocità a cui si muovono le onde gravitazionali, che ci ha permesso di escludere molti modelli di modified gravity, ovvero modelli che modificano o estendono la teoria della relatività generale di Einstein. Per ora le osservazioni sono totalmente consistenti con la teoria della relatività generale, ed è significativo che una singola misura ci abbia permesso di mettere fuori gioco tanti modelli alternativi.

Quali domande sono rimaste aperte? Il futuro rivelatore di onde gravitazionali europeo, Einstein Telescope, ci permetterà di trovare delle risposte?
Finora abbiamo potuto constatare la straordinaria potenza dell’astronomia delle onde gravitazionali e di quella multimessaggera nella comprensione della fusione di sistemi binari di buchi neri e stelle di neutroni. Tuttavia, quello che osserviamo rappresenta ancora una porzione limitata dell’universo. E, come dicevo, abbiamo ancora grandi incertezze sulle stime dei parametri delle sorgenti, per cui restano aperte moltissime domande sulla natura e sull’evoluzione degli oggetti compatti nel corso della storia cosmica. Con Einstein Telescope (ET) faremo un salto enorme, che si può paragonare al salto dal cannocchiale di Galileo al telescopio spaziale James Webb. ET ci permetterà di allargare la prospettiva all’intero universo osservabile, e di farlo ad altissima precisione. Grazie alla sua sensibilità alle basse frequenze, potremo arrivare a redshift più alti e a sorgenti molto più lontane. In altre parole, avremo accesso al primo universo; saremo in grado di osservare non solo i buchi neri provenienti dalle stelle, ma anche quelli primordiali, originati dalle fluttuazioni di densità dell’universo. Potremo comprendere come siano collegate le popolazioni di buchi neri di massa stellare e i buchi neri giganti al centro delle galassie (pari a milioni, miliardi di volte la massa del Sole), e capire se questi ultimi siano il risultato della crescita e della fusione di buchi neri di massa intermedia. E i segnali estremamente intensi prodotti da queste fusioni di buchi neri ci permetteranno di sottoporre la relatività generale a test di precisione senza precedenti, e forse di scoprire fenomeni che richiederanno una nuova teoria della gravità. Ma non osserveremo soltanto 105 segnali di buchi neri binari all’anno, osserveremo 105 segnali di stelle di neutroni, e ci aspettiamo di osservare anche nuove sorgenti, come supernovae a collasso nucleare e oggetti compatti esotici che non abbiamo mai visto. Einstein Telescope sarà uno strumento rivoluzionario per la fisica fondamentale, la fisica nucleare, l’astrofisica, l’astronomia multimessaggera, la cosmologia (grazie a errori molto più piccoli e campioni molto più ampi), potenzialmente persino per lo studio della materia oscura. E proprio in virtù della sua potenzialità scientifica, sta già attirando l’interesse di tante comunità diverse: fisici delle onde gravitazionali, astrofisici, cosmologi, fisici nucleari, per un totale di oltre 2000 studiosi e studiose attivi oggi nella collaborazione.

In che cosa sarà diverso Einstein Telescope dagli interferometri attuali?
Sicuramente a contraddistinguere Einstein Telescope è il fatto che sarà costruito sottoterra. Avrà una configurazione cosiddetta “a xilofono”, con due interferometri separati, uno ottimizzato per l’alta frequenza e l’altro per la bassa frequenza. La scelta cruciale di andare sottoterra è legata soprattutto all’interferometro a bassa frequenza: stare sottoterra, a temperature bassissime grazie all’impiego di un impianto criogenico, è necessario per accedere a frequenze sotto i 10 hertz, fino ai 2-3 hertz, e quindi al primo universo. Chiaramente, si lavorerà anche sulla potenza dei fasci laser e sugli specchi. Anzi, recentemente c’è stato un lavoro importante che ha sfruttato l’intelligenza artificiale per migliorare il controllo degli specchi, che potrà avere ricadute su strumenti di precisione diversi da Einstein Telescope e che trovano impiego in altri settori. Però la vera sfida, sia dal punto di vista tecnologico sia scientifico, rimane proprio l’interferometro a bassa frequenza: è quello che richiede gli sviluppi più ambiziosi e che può diventare un importante volano per l’industria.

Guardando invece al futuro, in cosa sarà diverso e come dialogherà con i contemporanei Cosmic Explorer e LISA?
Il Cosmic Explorer sarà uno strumento simile agli attuali rivelatori, ma con una sensibilità maggiore alle alte frequenze. A differenza di Einstein Telescope, non è progettato per arrivare alle frequenze più basse, e proprio per questo la combinazione delle osservazioni dei due rivelatori sarà molto interessante: permetterà di sfruttare al meglio le caratteristiche di entrambi e di aumentare il potenziale scientifico complessivo. LISA, al contrario, opererà a frequenze bassissime, inaccessibili ai rivelatori terrestri, e permetterà di osservare sorgenti che Einstein Telescope non sarà in grado di rivelare, ma anche sorgenti accessibili a entrambi, come i sistemi binari di buchi neri con masse dell’ordine di circa 30 masse solari. Se i due strumenti operassero contemporaneamente, LISA potrebbe fornire in anticipo un’indicazione della futura fusione osservabile da Einstein Telescope, consentendo un’osservazione multibanda e una determinazione dei parametri della sorgente con una precisione senza precedenti. In questo senso, la possibilità di combinare osservatori diversi apre una prospettiva completamente nuova: non solo vedere più sorgenti, ma studiarle da punti di vista complementari.

A proposito di complementarità, nei prossimi decenni entreranno in funzione nuovi grandi osservatori in quasi tutte le bande dello spettro elettromagnetico. Come si inserirà Einstein Telescope in questo ecosistema e quali saranno le sinergie più promettenti per l’astronomia multimessaggera?
Abbiamo deciso fin da subito di lavorare a stretto contatto con gli altri osservatori. All’interno dell’Observational Science Board di Einstein Telescope abbiamo istituito un gruppo di lavoro per la collaborazione con gli altri osservatori, e io attualmente coordino le attività dedicate all’astronomia multimessaggera e multibanda. Questo perché, stabilendo fin d’ora quali strumenti dovranno lavorare insieme e come coordinarsi, potremo sfruttare al massimo il potenziale dell’intera rete osservativa, ottenendo un ritorno scientifico senza precedenti. Nell’ottico, abbiamo già strumenti come l’osservatorio Vera Rubin in Cile che ha campi di vista molti grandi o ELT per la spettroscopia. Sono inoltre in corso iniziative come ESO Expanding Horizons, il programma con cui l’ESO sta definendo la sua prossima grande infrastruttura osservativa. Da questo processo emergerà con ogni probabilità un candidato ideale per operare in sinergia con Einstein Telescope. Nell’altissima energia, i telescopi distribuiti di CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) potranno osservare con ET. E anche nel radio ci stiamo muovendo con SKAO. La nostra più grande preoccupazione al momento è la mancanza di progetti approvati per il 2040 di un satellite di alta energia – come Fermi, Swift o SVOM –, di cui abbiamo bisogno per fare l’astronomia multimessaggera ad alto redshift (quindi osservare e localizzare, per esempio, i gamma-ray burst).

Einstein Telescope potrebbe essere costruito in Sardegna, nell’area della miniera dismessa di Sos Enattos, in provincia di Nuoro. E con l’Italia, si sono candidate a ospitare l’infrastruttura anche la Germania, con la regione della Lusazia in Sassonia, e l’Euroregione Mosa-Reno, al confine tra Paesi Bassi, Belgio e Germania. Quanto è competitiva la candidatura sarda?
Sono state condotte numerosissime misurazioni in Sardegna, da parte dell’INFN, dell’INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) e dell’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica), e il risultato è inequivocabile: il sito sardo è perfetto per ospitare Einstein Telescope. Il rumore antropico è bassissimo, i campi magnetici sono bassissimi, e c’è il granito, che facilita lo scavo rispetto agli altri Paesi. Sos Enattos ha una qualità per raggiungere la bassa frequenza veramente incredibile, ineguagliata negli altri due siti. Perciò speriamo davvero che nella selezione del sito venga valutata la qualità; qualità fondamentale per raggiungere gli obiettivi scientifici che ci siamo preposti. La comunità italiana crede al punto nel proprio sito da essere disposta a presentare una doppia candidatura – per ospitare l’infrastruttura nella configurazione a doppia L e nella configurazione a triangolo – nonostante sia fortemente convinta che l’opzione migliore sia la configurazione a doppia L.

Perché siamo convinti della configurazione a doppia L?
Sono stati pubblicati numerosi lavori, e tutti convergono sulla conclusione che due L con bracci di 15 km danno una performance scientifica migliore rispetto a un triangolo con lati di 10 km, sia per numero di eventi osservabili sia per la precisione dei parametri. Sotto entrambi gli aspetti, le stime indicano un miglioramento di un fattore compreso tra due e tre della configurazione a doppia L rispetto a quella triangolare. Si potrebbe obiettare che, a fronte di 105 eventi, un fattore due o tre conti poco; in realtà, è vero il contrario. Gli eventi davvero rivoluzionari, quelli che possono portare a scoperte da Premio Nobel, sono per definizione molto rari; e lo stesso vale per gli eventi che consentono di effettuare i test più stringenti della teoria della gravitazione, il loro numero è limitato. Lo vediamo già oggi con Virgo e LIGO: per gli eventi più lontani, nella zona che sta esplorando il telescopio James Webb, il numero di sorgenti osservabili è ridotto. Lì un incremento di sensibilità di un fattore due o tre fa la differenza tra il riuscire a rivelare queste sorgenti oppure no. Ma non c’è solo l’aspetto scientifico, c’è anche quello tecnologico. Nella configurazione triangolare si avrebbero sei interferometri nello stesso sito, che potrebbero risentire di rumori correlati e che, in generale, sono più complicati da gestire operativamente. Ed è emerso anche che con la configurazione a doppia L è possibile raggiungere casi scientifici sfruttando soltanto le prestazioni in alta frequenza, mentre il triangolo, per ottenere gli stessi risultati, dovrebbe raggiungere anche le prestazioni previste in bassa frequenza, che rappresentano una maggior sfida tecnologica. Per tutte queste ragioni siamo convinti che la soluzione a doppia L sia la migliore e quella con meno rischi.

Chiudiamo proprio sui casi scientifici: se dovesse scegliere un singolo evento che sogna di vedere con Einstein Telescope quale sarebbe e perché?
Quello che oggi non riusciamo nemmeno a immaginare: un fenomeno inatteso, capace di rivoluzionare la nostra comprensione della fisica. Ma ho anche altri sogni. L’astronomia multimessaggera passerà dall’essere limitata a rarissimi eventi a diventare mainstream. Potremo associare sistematicamente i gamma-ray burst alle onde gravitazionali, aprendo una nuova finestra sulla fisica dei fenomeni più energetici dell’universo, che ancora oggi restano tra i maggiori enigmi dell’astrofisica. E poi c’è il primo universo, gli eventi più lontani. Il telescopio James Webb ci sta già mostrando cose incredibili – stelle, galassie molto più vicine al Big Bang di quanto ci aspettassimo. Perciò non vedo l’ora di osservare i primi buchi neri, e di capire se vengono dalle stelle o dalle fluttuazioni iniziali della densità dell’universo.