Il 14 settembre 2015, gli scienziati hanno rilevato un segnale debole ma straordinario: la prima rilevazione confermata di onde gravitazionali. Questo segnale aveva viaggiato per circa 1,3 miliardi di anni prima di raggiungere la Terra ed era la prova diretta di un evento cosmico catastrofico: la spirale finale e la fusione di due buchi neri distanti.
Le onde gravitazionali: dalla prima rilevazione alla risonanza cosmica
Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo, previste teoricamente da Albert Einstein un secolo prima. Non sono fatte di luce, ma sono distorsioni nella trama stessa dello spazio. La loro cattura fu merito degli strumenti gemelli del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Dopo sei mesi di attente analisi, le collaborazioni LIGO e Virgo annunciarono la storica scoperta nel febbraio 2016.
Questa osservazione rivoluzionaria ha aperto un modo completamente nuovo di studiare l’universo. Fino ad allora, l’astronomia si era basata principalmente sulla luce (raggi X, luce visibile, onde radio) e su particelle ad alta energia (raggi cosmici e neutrini). Per la prima volta, gli scienziati potevano osservare gli eventi cosmici attraverso i loro effetti gravitazionali sullo spazio-tempo.
Questo straordinario risultato, frutto di decenni di lavoro, è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica 2017. I premiati furono tre dei fondatori di LIGO: Rainer Weiss (recentemente scomparso all’età di 92 anni), Barry Barish e Kip Thorne. Oggi, l’osservazione delle onde gravitazionali è un’impresa globale. I due osservatori LIGO (a Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana) lavorano in sincronia con il rivelatore Virgo in Italia e KAGRA in Giappone. Insieme, questa rete globale, nota come LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), rileva circa una fusione di buchi neri ogni tre giorni.
Finora, la collaborazione ha identificato più di 300 fusioni. La rapidità delle rilevazioni è dovuta a importanti aggiornamenti degli strumenti, che hanno beneficiato di progressi nell’ingegneria quantistica di precisione. Questi rivelatori sono i dispositivi di misurazione più sensibili mai costruiti, capaci di misurare variazioni nello spazio-tempo inferiori a un decimillesimo della larghezza di un protone.
Recentemente, a dieci anni dalla prima rilevazione, gli scienziati hanno catturato il segnale più chiaro di sempre, osservando due buchi neri scontrarsi a oltre un miliardo di anni luce di distanza. Le increspature spazio-temporali prodotte erano così precise da permettere di “sentire” i buchi neri risuonare come campane cosmiche. Questo segnale ha fornito la conferma di una delle previsioni più famose di Stephen Hawking.
La sensibilità senza precedenti degli strumenti LIGO
La straordinaria evoluzione tecnologica degli strumenti per la rilevazione delle onde gravitazionali è stata recentemente dimostrata dalla scoperta della fusione di buchi neri denominata GW250114 (il segnale è giunto sulla Terra il 14 gennaio 2025).
Sebbene l’evento in sé non fosse dissimile dalla prima storica rilevazione, GW150914 — entrambi coinvolgenti la collisione di buchi neri a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza, con masse tra 30 e 40 volte quella del Sole — il segnale di GW250114 risulta notevolmente più chiaro. Dieci anni di progressi hanno drasticamente ridotto il rumore strumentale, permettendo una “visione” più nitida dell’evento cosmico.
Come afferma Katerina Chatziioannou, membro del team LIGO, “Possiamo sentirlo forte e chiaro, e questo ci permette di testare le leggi fondamentali della fisica”. Il basso “fruscio” che si innalza dal rumore di fondo, il suono stesso dello spazio-tempo che si increspa, è ora percepibile con una chiarezza che indica il notevole miglioramento della sensibilità di LIGO. Si noti che per questa particolare osservazione, l’analisi è stata condotta solo da LIGO, poiché Virgo era in manutenzione ordinaria e KAGRA non operativo.
Analizzando le frequenze delle onde gravitazionali emesse dalla fusione GW250114, il team LVK ha ottenuto la migliore prova osservativa finora acquisita a supporto del teorema dell’area del buco nero, un concetto avanzato da Stephen Hawking nel 1971. Tuttavia, il teorema di Hawking asserisce che, nonostante questi fattori, l’area superficiale totale deve aumentare. In questo caso specifico, l’area totale dei buchi neri iniziali era di 240.000 chilometri quadrati (circa le dimensioni del Regno Unito), mentre l’area finale era di circa 400.000 chilometri quadrati (quasi le dimensioni della Svezia), confermando un netto aumento.
Successivamente, Hawking e il fisico Jacob Bekenstein stabilirono che l’area di un buco nero è proporzionale alla sua entropia, ovvero al suo grado di disordine. Queste scoperte furono cruciali, aprendo la strada a successivi lavori pionieristici nel campo della gravità quantistica, un tentativo di unificare la relatività generale e la fisica quantistica.
In sostanza, la rilevazione ha permesso al team di “sentire” i due buchi neri crescere mentre si fondevano in uno, verificando il teorema di Hawking con una precisione senza precedenti.
Questo è il secondo test del teorema: un test iniziale fu eseguito nel 2021 sui dati del primo segnale GW150914. Tuttavia, a causa della minore precisione di quei dati, i risultati avevano un livello di confidenza del 95%. I nuovi dati di GW250114, al contrario, hanno permesso di raggiungere un livello di confidenza del 99,999%.
Kip Thorne, co-fondatore di LIGO, ricorda che Hawking lo aveva contattato subito dopo la rilevazione del 2015 per sapere se il suo teorema potesse essere testato da LIGO. Purtroppo, Hawking è deceduto nel 2018 e non ha vissuto abbastanza per vedere la sua teoria verificata osservativamente con tale accuratezza. Thorne commenta: “Se Hawking fosse vivo, si sarebbe divertito a vedere aumentare l’area dei buchi neri fusi”.
pesanti e ha attirato l’attenzione di decine di telescopi in tutto il mondo, che hanno catturato luce che andava dai raggi gamma ad alta energia alle onde radio a bassa energia. L’evento astronomico “multi-messaggero” ha segnato la prima volta in cui sia la luce che le onde gravitazionali sono state catturate in un singolo evento cosmico. Oggi, l’LVK continua ad allertare la comunità astronomica sulle potenziali collisioni tra stelle di neutroni , che poi usa i telescopi per scrutare il cielo alla ricerca di segni di un’altra kilonova.
“La rete globale LVK è essenziale per l’astronomia delle onde gravitazionali”, afferma Gianluca Gemme, portavoce di Virgo e direttore di ricerca presso l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). “Con tre o più rivelatori che operano all’unisono, possiamo individuare eventi cosmici con maggiore accuratezza, estrarre informazioni astrofisiche più ricche e abilitare avvisi rapidi per il follow-up multi-messaggero. Virgo è orgoglioso di contribuire a questa impresa scientifica mondiale”.
La sfida della fase di ringdown
Determinare l’area superficiale finale del buco nero fuso rappresenta l’analisi più complessa in questo tipo di studio. Mentre l’area superficiale dei buchi neri pre-fusione può essere ricavata con relativa facilità durante la loro spirale che agita lo spazio-tempo e produce onde gravitazionali, il segnale diventa meno nitido dopo la fusione. Durante questa fase, nota come “ringdown”, il buco nero finale vibra come una campana suonata.
I dati notevolmente migliorati del segnale GW250114 hanno consentito ai ricercatori di misurare con precisione i dettagli della fase di ringdown. Questo ha permesso di calcolare con accuratezza la massa e lo spin (rotazione) del buco nero risultante e, di conseguenza, di determinarne l’area superficiale finale, un passaggio cruciale per la verifica del teorema di Hawking.
Per la prima volta, grazie alla chiarezza del segnale GW250114, il team di ricerca è riuscito a individuare con sicurezza due distinte modalità di onde gravitazionali nella fase di ringdown. Queste modalità sono paragonabili ai suoni caratteristici che una campana emette quando viene percossa: hanno frequenze simili ma si estinguono a velocità differenti, il che le rende estremamente difficili da identificare.
L’estrazione di queste modalità dai dati ha dimostrato che la fase di ringdown del buco nero si è verificata esattamente come previsto dai modelli teorici. In un ulteriore e rigoroso studio, la collaborazione LVK ha anche posto dei limiti a un terzo tono più acuto previsto nel segnale, eseguendo alcuni dei test più stringenti mai condotti sull’accuratezza della relatività generale nel descrivere la fusione dei buchi neri.
Il successo di queste analisi è il risultato di un complesso percorso di lavoro umano e tecnologico. Nicolas Arnaud, ricercatore del CNRS in Francia e coordinatore di Virgo, sottolinea la lunga catena di passaggi che va dalla rilevazione del segnale all’invio di avvisi per le osservazioni di follow-up da parte dei telescopi, fino alla pubblicazione dei risultati di fisica. Egli evidenzia il ruolo essenziale degli scienziati LVK in servizio costante, che garantiscono che “il Sole non tramonti mai sopra le nostre collaborazioni”.
Oltre ai buchi neri, gli osservatori LIGO e Virgo hanno avuto successo nella rilevazione di stelle di neutroni nell’ultimo decennio. Come i buchi neri, le stelle di neutroni si formano dalla morte esplosiva di stelle massicce, ma sono meno pesanti ed emettono luce. In particolare, nell’agosto del 2017, LIGO e Virgo hanno assistito alla storica collisione tra una coppia di stelle di neutroni, nota come kilonova, un evento che ha scagliato nello spazio oro e altri elementi pesanti.
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
