Un osservatorio europeo di onde gravitazionali: dai tentativi del passato alle prospettive del futuro

Una recente pubblicazione in storia della fisica ricostruisce e analizza i primi tentativi di creare in Europa un osservatorio per la rivelazione e lo studio delle onde gravitazionali: tentativi avvenuti alla fine degli anni '80, quando quattro gruppi europei condivisero l’ambizioso progetto di avere tre rivelatori interferometrici su questo lato dell'Atlantico. Conoscere i motivi dell'insuccesso di quell'impresa ha particolare valore oggi, mentre sono in corso in Europa le delicate trattative per lo sviluppo dell'Einstein Telescope, un'antenna interferometrica di nuova generazione. Per questo motivo, l'articolo sta destando un certo interesse nella comunità di ricerca delle onde gravitazionali. Il lavoro di ricerca storica in questione si basa sull’analisi di una folta documentazione archivistica, oltre che sulla raccolta di numerose testimonianze dei protagonisti di quella storia dimenticata.

Al mondo sono solo tre gli apparati sperimentali in grado di rivelare le onde gravitazionali, i segnali più elusivi e debolmente interagenti provenienti dal cosmo: le antenne interferometriche LIGO (due interferometri con bracci di 4 km, situati negli Stati Uniti) e Virgo (l'interferometro lungo 3 km costruito a Cascina, vicino Pisa, nato come collaborazione italo-francese).

L'antenna interferometrica Virgo, a Cascina, accanto al piccolo "fratello maggiore" Explorer (indicato con freccia e cerchietto), la barra criogenica che ha funzionato al CERN fino al 2012.

Le prime rivelazioni di segnali provenienti dalla collisione di buchi neri e stelle di neutroni – compiute dalla collaborazione LIGO-Virgo negli anni 2015-2017 – hanno inaugurato l'astronomia a onde gravitazionali. Esiste, tuttavia, un'evidente asimmetria scientifica tra Europa e USA. Mentre i due LIGO potranno rivelare autonomamente un futuro nuovo tipo di segnale transiente – come la radiazione gravitazionale emessa da una supernova, finora ancora mai rilevata – il singolo rivelatore interferometrico Virgo non garantisce alla comunità scientifica europea la propria indipendenza di osservazione.

Una caratteristica fondamentale della caccia alle onde gravitazionali è infatti la necessità di effettuare analisi in coincidenza dei dati provenienti da diversi rivelatori. I segnali attesi sono così deboli rispetto ai diversi disturbi che agiscono sull'antenna, che sono sepolti all’interno del rumore. Se due rilevatori sono lontani l'uno dall'altro, i segnali spuri che influenzano le misure sono in generale non correlati: l'analisi in coincidenza permette quindi di rimuovere il rumore locale dal flusso di dati. Non è possibile estrarre un segnale gravitazionale dal rumore in cui è immerso, utilizzando un singolo flusso di dati, a meno che non si verifichi una delle seguenti condizioni: il segnale gravitazionale è continuo – come nel caso della radiazione gravitazionale emessa da una pulsar, ancora mai rivelata – consentendo perciò un'osservazione di lunga durata e un'integrazione nel tempo, oppure il segnale è transiente, ma descritto da un modello teorico robusto. L'analisi delle coincidenze è cruciale per identificare un segnale transitorio imprevisto e non descritto da un modello accurato.

Dopo che le prime rivelazioni annunciate nel 2016 e 2017 da LIGO e Virgo, nella comunità scientifica delle onde gravitazionali sono emerse molte domande riguardo alla mancata realizzazione di due o più antenne interferometriche a lunga base in Europa. Negli anni '80, i quattro gruppi europei operanti nel settore in Francia, Germania, Gran Bretagna e Italia si mossero attivamente in questo senso, stabilendo una collaborazione europea chiamata EUROGRAV. A minare un’impresa scientifica così promettente contribuirono vari fattori, interni ed esterni alla comunità scientifica. Tra questi: l'assenza, al tempo, di un coordinamento internazionale della ricerca in onde gravitazionali, ma anche alcuni grandi eventi storici, in particolare, la riorganizzazione scientifica della Germania dopo la caduta del muro di Berlino.

I piccoli gruppi coinvolti – in special modo i gruppi francese, tedesco e britannico – erano abituati a esperimenti da banco ottico. Si trovarono impreparati ad affrontare insieme il grande cambio di scala necessario per passare dalla vecchia generazione di rivelatori – le barre risonanti criogeniche – agli interferometri. Il risultato è che EUROGRAV si arenò, senza lasciare traccia nella memoria collettiva della comunità di ricerca sulle onde gravitazionali.