Dalle miniere un nuovo sguardo sull’Universo

Cosa cambierà con l’arrivo dell’Einstein Telescope? Lo abbiamo chiesto a Michele Punturo di INFN a capo del team nazionale e coordinatore del progetto internazionale.

Qual è la differenza tra l’Einstein Telescope e i rivelatori che ci sono adesso?

Einstein Telescope, ormai noto come ET, sarà un osservatorio di onde gravitazionali di terza generazione, che avrà una sensibilità 10 volte migliore di quella attesa per i rivelatori attuali quando raggiungeranno la loro sensibilità di disegno. Siccome il volume di Universo “indagabile” aumenta con il cubo della sensibilità del rivelatore di onde gravitazionali, ET sarà in grado di osservare un volume di Universo 1.000 volte superiore a quello raggiungibile dai rivelatori attuali.

In particolare la sua sensibilità a bassa frequenza permetterà di rivelare buchi neri più massicci, fino a migliaia di masse solari, dato che più la sorgente è massiccia più emette un segnale a bassa frequenza. Inoltre, grazie alle sue dimensioni, ovvero ai suoi bracci di 10 chilometri e alle nuove tecnologie adottate, permetterà di vedere coalescenze di buchi neri essenzialmente in tutto l’Universo. Vedere buchi neri più massicci e più lontani ci permetterà di fare l’albero genealogico dei buchi neri supermassicci che troviamo al centro delle galassie, cioè vedere la storia delle fusioni che hanno determinato questi “mostri” di milioni o miliardi di masse solari che occupano il centro di molte galassie. Osservando a grande distanza, ci potrebbe permettere di identificare buchi neri primordiali cioè quelli creati nella fase iniziale dell’Universo; tali buchi neri primordiali possono essere una componente della materia oscura, estenuantemente cercata dai fisici.

In che modo ET potrà raggiungere una così grande sensibilità alle basse frequenze?

Per raggiungere questa sensibilità verrà costruito ad una profondità di 200-300 metri sotto terra in modo da ridurre il rumore sismico e newtoniano, il cosiddetto muro sismico, che acceca i rivelatori terrestri alle basse frequenze.
ET sarà inoltre criogenico, cioè avrà la capacità di produrre basse temperature, al fine di ridurre il rumore termico che limita gli osservatori attuali in un ampio spettro di frequenze.

Come avverrà con ET l’allerta ai telescopi?

Osservare, per esempio, la fusione di sistemi binari di stelle di neutroni simultaneamente attraverso le onde gravitazionali, onde elettromagnetiche (dalle onde radio ai raggi gamma) e forse i neutrini apre possibilità di indagine senza precedenti; è la cosiddetta astronomia multimessaggera. Grazie alla sua sensibilità a bassa frequenza, per ET sarà possibile mandare un’allerta ai telescopi prima che la fusione delle stelle di neutroni avvenga, mentre oggi l’allerta avviene pochi minuti dopo che l’evento è accaduto. L’impatto sulle potenzialità dell’astronomia multimessaggera sarà notevole.

Fino ad oggi cosa è stato fatto?

Rappresentazione pittorica di ET: dalle profondità della Terra alla profondità del Cosmo

Possiamo paragonare il mondo dei rivelatori di onde gravitazionali all’astronomia al tempo di Galilei, ovvero siamo ancora agli inizi di una lunga avventura. Le prime idee sulla terza generazione sono state discusse sin dal 2004, grazie ad un primo progetto finanziato dalla Commissione Europea (ILIAS) in FP6. Queste idee si sono concretizzate in una proposta di disegno concettuale di ET finanziato dalla Commissione Europea tra il 2008 e il 2011. Dopo la realizzazione del Conceptual Design Report (2011), in cui abbiamo anche identificato una serie di siti possibili in Europa, abbiamo cominciato a lavorare sulle tecnologie abilitanti, senza le quali non è possibile avere una terza generazione di rivelatori. Al momento abbiamo ristretto la rosa dei siti possibili a due, in fase di caratterizzazione.

L’Italia, in particolare la Sardegna, è candidata a ospitare ET. Quali sono le caratteristiche che la rendono unica?

Il sito sardo è perfetto dal punto di vista tecnico-qualitativo e questo lo si sta concretamente dimostrando con la realizzazione di un laboratorio sotterraneo che si chiama Sar-Grav nella miniera di Sos Enattos a Lula, finanziato dalle Regione Sardegna. In particolare il laboratorio, realizzato da un consorzio che comprende la regione Sardegna, il MIUR, l’INFN, l’INGV, l’Università di Sassari e l’Università di Cagliari, ha un suo target scientifico ben preciso e lavora nell’ambito della fisica della gravità di precisione.
L’INFN sta finanziando la realizzazione di un esperimento che si chiama Archimedes, che sarà il primo ad essere ospitato da questo laboratorio. Inoltre, nel realizzare Sar-Grav, si sta caratterizzando fortemente il sito dal punto di vista sismico, geologico, elettromagnetico e del rumore ambientale, dimostrando che la Sardegna è perfetta per ospitare ET, in quanto ha peculiarità uniche in Italia e probabilmente in Europa. Geologicamente è molto quieta, con una bassissima attività sismica e la zona di Lula, poi, ha una bassissima densità di popolazione; queste sono caratteristiche importanti per realizzare un’infrastruttura a bassissimo rumore ambientale, che permetta all’osservatorio ET di “ascoltare” le onde gravitazionali a bassa frequenza. Infine, le rocce nella zona prescelta sono dure, adatte a sostenere scavi sotterranei, la zona è arida (la presenza d’acqua è infatti un ostacolo a questo tipo di costruzioni sotterranee) e lavorare alla costruzione del laboratorio ci permette di fare una dettagliata mappatura geografica, dai corsi d’acqua ai rumori elettromagnetici, fondamentale per caratterizzare il sito.

Il sito sardo ha dei competitor a livello europeo?

Al momento sono rimasti in gara due siti, quello sardo e l’altro nella regione di confine tra Paesi Bassi, Belgio e Germania, detta Limburgo. Quest’ultimo è ancora tutto da caratterizzare, essendo appena terminate le trivellazioni per la qualificazione del sito. Tra le problematiche da valutare per il sito nord europeo sono la locale densità di popolazione, molto alta, la presenza di falde acquifere sotterranee e l’attività sismica naturale. Questi fattori possono presentare problemi sia in fase di realizzazione dell’infrastruttura, sia in termini di rumori ambientali. La forza di tale sito è invece l’essere transnazionale, con i tre vertici collocati in tre nazioni diverse. Questo è un grande asset, dato il potenziale coinvolgimento finanziario e politico delle tre nazioni. Attualmente è in corso di realizzazione a Maastricht un centro di eccellenza per lo sviluppo di tecnologie per la terza generazione di detectors di onde gravitazionali, con un investimento di più di 14 milioni di euro.

Cosa è stato fatto per sostenere la candidatura della Sardegna?

Il primo passo per realizzare ET è ottenere il massimo da Virgo e dalla sua infrastruttura. Infatti Virgo, oltre essere un eccezionale esperimento scientifico, è anche un banco di prova, tramite i suoi aggiornamenti, delle tecnologie per ET. Per questo motivo nella strategia verso ET è compreso il potenziamento di Virgo verso la fase detta “advanced Virgo+”. La candidatura di Sos Enattos ad ospitare ET è poi sostenuta tramite finanziamenti ad hoc da parte della regione Sardegna e del MIUR, che hanno messo a disposizione fondi per alcuni milioni di euro sia per la realizzazione di Sar-Grav che per gli studi di caratterizzazione. Grazie a questo sostegno finanziario e all’impegno di fisici, ingegneri, geologi e tecnici dell’INFN, dell’INGV, delle Università di Sassari, Cagliari e Roma Sapienza si punta a dimostrare l’estrema qualità della Sardegna nell’ospitare ET.

Quale sarà il ruolo della rete?

Per prima cosa riuscire ad avere una rete che colleghi il laboratorio Sar-Grav in modo che si apra all’esterno e si possa accedere ai dati di caratterizzazione che sono acquisiti lì.
Nel futuro, ET sarà uno dei nodi di un network globale di osservatori che si scambiano, in tempo reale, stream continui di dati per localizzare le sorgenti di onde gravitazionali e generare gli allarmi per l’astronomia multimessaggera (la cosiddetta single machine ideata da uno dei padri delle onde gravitazionali, Adalberto Giazotto). Inoltre, come già succede ora, i centri di analisi dati saranno sparsi in Europa e nel mondo; quindi sarà importante avere una connessione veloce tra la Sardegna e il resto della comunità scientifica.
La connettività ad Internet ad alta velocità è una delle chiavi del futuro successo di ET, ma anche dell’impatto economico che tale infrastruttura avrà sul territorio di Lula.

Quando avverrà la scelta? E cosa l’Italia si può augurare per il futuro?

La scelta del sito è prevista nel 2022. Nei prossimi anni la comunità scientifica che sorregge Virgo dovrà crescere notevolmente, per permettere la realizzazione di ET. L’Italia deve agire come centro di attrazione, offrendo oltre al miglior sito possibile, un framework scientifico, tecnico, finanziario e organizzativo di eccellenza per ET. Solo in questo modo si potrà attrarre sull’opzione Sardegna un adeguato numero di nazioni e di comunità scientifiche.

credits: © Maurizio Perciballi

In Miniera!

Michele Punturo, a sinistra nella foto, è dirigente di Ricerca dell’INFN e coordinatore nazionale del progetto ET, di cui condivide anche il coordinanento internazionale. Qui lo vediamo insieme a Luca Loddo, direttore del sito di Sos Enattos. L’ex miniera, situata a Lula, nel Nuorese, è uno dei luoghi ideali per “ascoltare” le onde gravitazionali. Qui i minatori sardi estraevano lo zinco e il rame, mentre oggi Sos Enattos, grazie ad un rumore sismico debolissimo e a una densità di popolazione che è una delle più basse d’Europa, è candidata per ospitare l’Einstein Telescope. Da qui si potrà scrutare l’Universo e andare verso nuove miniere dove oro e platino si sono formati centinaia di milioni di anni luce dalla Terra.