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Einstein Telescope

È uno dei principali progetti di ricerca europei con impatto scientifico di livello mondiale, e l’Italia è candidata a ospitarlo in Sardegna nell’area della miniera dismessa di Sos Enattos, nel Nuorese. Si tratta della grande infrastruttura sotterranea per il futuro rivelatore di onde gravitazionali di terza generazione. ET sarà in grado di osservare un volume di universo almeno mille volte maggiore rispetto agli attuali strumenti di seconda generazione, gli interferometri LIGO negli Stati Uniti e Virgo in Italia, le cui collaborazioni scientifiche hanno osservato per la prima volta, nel 2015, le onde gravitazionali, previste cento anni prima da Albert Einstein. La scoperta è stata premiata con il Nobel per la fisica nel 2017.

Il progetto

Einstein Telescope si chiama così perché è uno strumento che servirà a “osservare” le onde gravitazionali che arrivano sulla Terra dallo spazio profondo. È dedicato ad Albert Einstein, che per primo ne ipotizzò l’esistenza, come conseguenza della sua teoria della relatività generale. In realtà, ET, più che in osservazione, sarà in ascolto dell’universo, perché le onde gravitazionali è come se fossero la voce, l’eco dei più estremi eventi astrofisici che accadono nel cosmo, come la coalescenza di buchi neri o di stelle di neutroni, o le esplosioni di supernovae.

Il progetto ET prevede la costruzione di una grande infrastruttura sotterranea che ospiterà un rivelatore di onde gravitazionali tra i 100 e i 300 metri di profondità per preservarlo in condizioni di “silenzio”, isolandolo dalle vibrazioni prodotte sia dalle onde sismiche, sia dalle attività umane, che costituiscono quello che viene chiamato “rumore”, in quanto fonte di disturbo per le misure che ET dovrà realizzare.

L’idea di progetto di ET si fonda sui successi da Nobel di Virgo e LIGO che, grazie alle osservazioni realizzate dal 2015, anno della scoperta delle onde gravitazionali, ad oggi, hanno rivoluzionato il nostro modo di studiare l’universo, aprendo l’era dell’astronomia gravitazionale – lo studio dei corpi celesti e del cosmo attraverso le onde gravitazionali – e dell’astronomia multimessaggera – lo studio dello stesso fenomeno astrofisico attraverso le informazioni provenienti da più messaggeri cosmici: onde gravitazionali, radiazione elettromagnetica, neutrini. Le scoperte sulle onde gravitazionali, di cui l’Italia è stata protagonista grazie all’esperimento Virgo, che si trova allo European Gravitational Observatory (EGO) vicino a Pisa, hanno reso questo settore della ricerca fondamentale uno dei più promettenti.

Rispetto agli attuali interferometri, ET osserverà un volume di universo circa mille volte maggiore e, per le prospettive che potrà aprire in termini sia di nuove conoscenze scientifiche, sia di innovazione tecnologica, è ritenuto un progetto di punta a livello internazionale, tanto da essere incluso nella Roadmap di ESFRI 2021 (European Strategy Forum on Research Insfrastructures), l’organismo europeo che indica su quali infrastrutture scientifiche è decisivo investire in Europa, grazie ad una proposta a guida italiana, supportata da Belgio, Paesi Bassi, Polonia e Spagna.

Gli obiettivi scientifici

Einstein Telescope è un progetto di ricerca fondamentale e dunque la sua missione primaria e prioritaria è di carattere scientifico: il suo obiettivo è la conoscenza, è studiare l’universo con le onde gravitazionali, attraverso la sua storia, ripercorrendola indietro nel tempo fino all’epoca in cui è comparsa la luce, per capirne l’origine, come si è formato ed evoluto e quale sarà il suo futuro.

Del nostro universo ad oggi conosciamo poco meno del 5%, ossia la materia ordinaria di cui siamo fatti noi e tutto ciò che possiamo osservare nel cosmo. Del restante 95% circa, non sappiamo praticamente nulla, possiamo solo concludere, sulla base delle nostre osservazioni, che esistono un altro tipo di materia, chiamata materia oscura, e un’energia, chiamata energia oscura, entrambe di natura sconosciuta. Einstein Telescope potrà contribuire a comprendere l’universo oscuro, verificando alcune ipotesi, ad esempio i buchi neri primordiali o gli assioni come ipotetici componenti candidati a costituire la materia oscura, che rappresenta circa il 25% del nostro universo ma la cui natura oggi è, appunto, una delle maggiori questioni ancora irrisolte. Un altro importante risultato scientifico che ET potrà realizzare, e che aprirebbe la strada verso la comprensione del big bang, e dunque dell’origine dell’universo, è la misura di parametri cosmologici legati alla sua espansione e quindi al problema dell’energia oscura, di cui sappiamo solamente che costituisce oltre il 70% dell’universo e che ne condiziona fortemente l’evoluzione.

Osservando un volume di universo mille volte maggiore rispetto a quello che si può studiare con gli attuali rivelatori gravitazionali di seconda generazione, ET sarà in grado di rivelare un numero impressionante di segnali dalla coalescenza sia di stelle di neutroni, sia di buchi neri, contribuendo alla comprensione della natura degli oggetti astrofisici più estremi, e attraverso di essi studiare le stelle dalle quali hanno avuto origine, risalendo fino alle prime stelle dell’universo. ET consentirà per la prima volta di esplorare la storia dell’universo, andando indietro nel tempo all’età oscura della cosmologia, quando le sorgenti stellari e galattiche di fotoni non si erano ancora formate, facendo così luce sui processi che ne hanno caratterizzato l’evoluzione.

ET permetterà di rivelare fenomeni attesi ma ancora mai osservati, come l’emissione continua da stelle di neutroni, le esplosioni di supernovae e la misura del fondo cosmologico o astrofisico di onde gravitazionali. Grazie a questo, in particolare, sarà possibile studiare ad esempio i modi in cui si formano i buchi neri, le loro caratteristiche e la loro evoluzione. La rivelazione di molti segnali gravitazionali da stelle di neutroni consentirà invece di avere a disposizione un vero e proprio laboratorio di fisica nucleare, con caratteristiche non realizzabili sulla Terra, in cui poter studiare il comportamento della materia in condizioni estreme. Rivelare una grande quantità di questi eventi permetterà peraltro di studiare le popolazioni di buchi neri e stelle di neutroni, e realizzare così vere e proprie analisi demografiche sul nostro universo.

Con ET potremo, inoltre, verificare i limiti della relatività generale in ambienti estremi e comprendere se è possibile aprire la strada verso una unificazione con la meccanica quantistica: l’inconciliabilità tra macrocosmo e microcosmo è uno dei grandi problemi ancora irrisolti della fisica fondamentale.

Tecnica e tecnologie

Einstein Telescope sarà un rivelatore di onde gravitazionali basato sui successi della tecnica dell’interferometria laser, impiegata negli esperimenti di seconda generazione LIGO e Virgo. Tuttavia, la sua sensibilità sarà notevolmente potenziata rispetto agli attuali esperimenti, grazie all’aumento delle dimensioni del rivelatore, e all’implementazione di tecnologie nuove e innovative.

L’idea di progetto originale prevede un rivelatore di forma triangolare con lati di 10 chilometri. Lungo i suoi bracci sotterranei, all’interno di tubi a ultra-alto vuoto, scorreranno fasci laser che saranno riflessi da specchi levigatissimi, per essere infine ricomposti a formare, sovrapponendosi, la cosiddetta figura d’interferenza. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro, la lunghezza dei bracci oscilla, e di conseguenza i fasci laser che corrono al loro interno compiono percorsi di diversa lunghezza, e pertanto la figura di interferenza ottenuta dalla loro ricomposizione si modifica. ET misurerà queste infinitesimali variazioni di una frazione di miliardesimo del diametro di un atomo. Per realizzare misure così precise ET necessita di tecnologie avanzatissime, create ad hoc grazie a un lavoro di ricerca e sviluppo in sinergia tra ricerca e industria. Attualmente la collaborazione scientifica sta studiando le tecnologie che serviranno ad Einstein Telescope, la sua geometria e la sua configurazione.

Oltre a un interferometro di forma triangolare, da realizzare su un solo sito, è al vaglio degli esperti anche la possibilità della configurazione a elle (L), con due bracci perpendicolari, come quella degli attuali interferometri. In questo secondo caso il progetto prevederebbe la realizzazione di due interferometri gemelli, come gli attuali interferometri statunitensi, che verrebbero realizzati in due distinti siti a sufficiente distanza l’uno dall’altro, in modo da poter potenziare l’efficacia nella localizzazione nel cielo della sorgente astrofisica dell’onda gravitazionale.

La collaborazione scientifica internazionale

Le onde gravitazionali sono uno dei più promettenti settori della ricerca in fisica fondamentale, astrofisica, fisica nucleare, cosmologia: non sorprende dunque che un progetto di ampio impatto per la conoscenza e l’innovazione come Einstein Telescope abbia già attratto e continui a raccogliere attorno a sé l’interesse scientifico e tecnologico di una vasta ed eterogenea comunità internazionale, sia europea sia mondiale. Come tutti i progetti di big science, ossia di quella ricerca scientifica di larga scala, che nasce da una profonda capacità di visione del futuro e di progettazione innovativa, che si fonda su grandi esperimenti, e che richiede ingenti investimenti congiunti, anche ET ha bisogno di un grande supporto istituzionale e politico e della sinergia di competenze scientifiche e industriali.

Il progetto ESFRI di ET è organizzato in forma di consorzio, è guidato da Italia e Paesi Bassi e gode del sostegno politico di Belgio, Polonia e Spagna. La comunità di ET è attiva da oltre 15 anni, e dal 2022 è organizzata in una collaborazione scientifica internazionale, composta da circa 1.600 persone, tra cui ricercatori, ingegneri, tecnici e scienziati dei dati, appartenenti a più di 230 istituzioni distribuite su 27 nazioni, sia in Europa, con Francia, Germania, Grecia, Repubblica Ceca, Svizzera, Regno Unito e Ungheria, sia nel mondo.

Attualmente, il lavoro di scienziati, ingegneri e tecnici si sta concentrando sulla fase preparatoria (ET Preparatory Phase Project, supportato dal programma Horizon Europe della Commissione Europea), in particolare sullo studio della configurazione del rivelatore, sulla progettazione e sullo sviluppo delle tecnologie abilitanti, sulla preparazione delle metodiche di analisi dati e sulla costruzione dei modelli astrofisici che serviranno a interpretare le misure e i dati raccolti. Sono, inoltre, in corso gli studi di caratterizzazione dei due siti candidati a ospitare Einstein Telescope: uno in Sardegna, nell’area della miniera dismessa di Sos Enattos, nel Nuorese, e uno vicino al confine tra Paesi Bassi, Belgio e Germania.

1700

Persone

30

Paesi

249

Istituti

Tempi e investimenti

Banner Image: simulazione di un buco nero supermassiccio. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA.