Einstein Telescope, un super rivelatore per conoscere le origini dell’Universo

L’Italia con il sito sardo di Sos Enattos è tra i candidati ad ospitare l’osservatorio che rivoluzionerà l’astronomia moderna.

Einstein Telescope, ormai noto come ET, sarà un osservatorio di onde gravitazionali di terza generazione, che avrà una sensibilità, in un ampio spettro di frequenze, almeno 10 volte migliore di quella di disegno attesa per i rivelatori attuali, LIGO e Virgo. Siccome il volume di Universo “indagabile” scala con il cubo della sensibilità del rivelatore di onde gravitazionali, ET sarà in grado di osservare un volume di Universo superiore di almeno 1.000 volte a quello raggiungibile dai rivelatori attuali, raggiungendo le ere oscure dell’Universo, immediatamente successive al Big Bang e precedenti alla nascita della prima stella.

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 almeno 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, oggetto delle recenti osservazioni della rete di radiotelescopi EHT (Event Horizon Telescope), 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.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 alcune ottiche cruciali mantenute a bassa temperatura, intorno a 10 gradi Kelvin (-263°C) , al fine di ridurre il rumore termico che limita gli osservatori attuali in un ampio spettro di frequenze.

La sensibilità a bassa frequenza di ET rivoluzionerà anche la neonata Astronomia Multimessaggera; infatti attualmente i rivelatori di onde gravitazionali riescono ad allertare i telescopi elettromagnetici dell’avvenuta collisione di due stelle di neutroni contestualmente alla fusione o pochi minuti dopo. ET sarà in grado di lanciare l’allerta con un anticipo calcolato di qualche ora o qualche minuto rispetto alla fusione, permettendo il puntamento e l’osservazione da parte dei partner elettromagnetici prima dell’emissione di fotoni.

Candidature per ospitare ET

Al momento sono rimasti in gara due siti, quello italiano ubicato in Sardegna e l’altro nella regione di confine tra Paesi Bassi, Belgio e Germania, detta Limburgo, ma si sta affacciando anche la possibilità di una terza candidatura in Sassonia (Germania).

Il sito sardo, situato nell’area prossima alla ex miniera di Sos Enattos (Nu), è perfetto dal punto di vista tecnico-qualitativo. Tale area è uno dei luoghi ideali per “ascoltare” le onde gravitazionali. Questo perché la Sardegna 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 adatte a sostenere scavi sotterranei, grazie alla loro stabilità e durezza e data la scarsità di acqua sotterranea.

La forza del Limburgo invece è quella di essere transnazionale, con i tre vertici collocati forse in tre nazioni diverse. Questo è un grande asset, dato il potenziale coinvolgimento finanziario e politico dei tre paesi. Inoltre si tratta di una delle regioni più sviluppate d’Europa, con numerosi centri di ricerca e industrie ad alta tecnologia. I due siti sono dunque estremamente complementari e questo ha portato a prendere in considerazione di costruire ET su entrambi i siti, creando una sinergia perfetta tra di loro.

Collaborazione internazionale per ET

Dal giugno del 2022 esiste formalmente la collaborazione scientifica dell’Einstein Telescope. Si tratta di una collaborazione internazionale che è attualmente composta da più di 1430 scienziati, principalmente da tutta Europa, ma non solo. Infatti, abbiamo ricevuto e stiamo ricevendo adesioni da gruppi di lavoro di altri continenti, per esempio da Taiwan, Corea e Brasile. La collaborazione ha oggi una sua struttura interna e uno dei target primari da raggiungere nei prossimi anni è la realizzazione dei disegni tecnici, sia dell’infrastruttura che degli interferometri che saranno ospitati nell’infrastruttura.

Tra le altre attività internazionali che sono in corso c’è la gestione delle candidature dei siti ospitati. Stiamo infatti definendo i parametri per il confronto da un punto di vista scientifico e tecnico, per comprendere quali sono le performance di ET in ciascun sito oppure in più di un sito, dato che si sta paventando l’ipotesi di cambiare il disegno progettuale di ET e di avere due siti (invece di avere un singolo sito a forma di triangolo, si avrebbero due siti ciascuno a forma di elle con 15 km di braccio ciascuna), ubicati in Nord Europa e in Sud Europa, con grandissimi vantaggi dal punto di vista della localizzazione della sorgente. Abbiamo effettuato lo studio scientifico (in corso di pubblicazione) e questo potrebbe portare ad una svolta interessante anche dal punto di vista della geopolitica.

Un’altra componente in grande sviluppo è l’ente legale che gestisce ET. I vari enti di ricerca e i vari governi si stanno infatti consorziando per realizzare nel prossimo futuro l’ente legale che realizzerà e gestirà l’Osservatorio dal punto di vista finanziario e organizzativo e che prenderà il nome di Einstein Telescope Organization. Al momento abbiamo già dei comitati che sono composti dai delegati dei vari enti di ricerca e abbiamo un board composto da delegati dei governi (BGR).

Per quanto riguarda le candidature, sia in Italia che in Olanda c’è stato un forte coinvolgimento a livello governativo oltre che dei finanziamenti importanti per la candidatura dei rispettivi siti e per lo sviluppo delle tecnologie necessarie. In particolare in Italia grazie al PNRR, 50 milioni sono stati allocati per ETIC, progetto a guida INFN che ha una valenza doppia. Uno dei target principali di ETIC è la realizzazione di uno studio di pre-fattibilità per progettare ET in Sardegna. È previsto infatti uno studio ingegneristico e geologico, con una serie di sondaggi per conoscere meglio il sottosuolo. Si tratta di una gara d’appalto di circa 14 milioni (IVA esclusa) che è stata appena lanciata e che è essenzialmente lo studio per la candidatura della Sardegna. L’altra gamba del progetto ETIC è la realizzazione di una rete di laboratori presso le 11 università italiane e gli enti di ricerca italiani (INFN, INAF e ASI), per sviluppare alcune delle tecnologie abilitanti di ET. Anche l’INGV concorre alla candidatura del sito in Sardegna, grazie al suo prezioso contributo alla caratterizzazione geofisica e sismica del sito e grazie al progetto PNRR MEET, il cui work package FABER mira a realizzare un centro di ricerca sismologica proprio a Sos Enattos.

Connettività per un network globale di osservatori

La connettività ad alta velocità attraverso la rete GARR (e con il supporto della Regione Sardegna e dell’Università di Sassari) è una delle chiavi del futuro successo di ET, ma anche dell’impatto economico che tale infrastruttura avrà sul territorio di Lula. Avere una connessione veloce in breve tempo a Sos Enattos è fondamentale perché stiamo già acquisendo dati e ne acquisteremo sempre di più. Questi dati devono essere distribuiti in primis alla comunità italiana e poi internazionale per la caratterizzazione del sito. Nel lungo termine se la Sardegna diventasse il sito o uno dei due siti di ET sarà fondamentale rendere immediatamente disponibili i dati prodotti da ET a tutta la comunità internazionale.

ET sarà uno dei nodi di un network globale di osservatori che si scambiano, in tempo reale, flussi 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. Per questo la connessione ad alta velocità della Sardegna alla rete GARR-T e al sistema mondiale delle reti della ricerca scientifica internazionale è un requisito essenziale e il progetto TeRABIT rientra perfettamente tra gli asset fondamentali per la candidatura di ET in Sardegna.