Dal 6 al 9 maggio 2019 al Teatro Duse di Bologna si è svolto il primo CTA Symposium: centinaia di ricercatori si sono riuniti per discutere gli ultimi sviluppi del progetto Cherenkov Telescope Array (CTA), una rete di telescopi che osserveranno la radiazione Cherenkov prodotta dai raggi gamma che colpiscono la nostra atmosfera. Al CTA Symposium abbiamo avuto l’onore di incontrare due ospiti d’eccezione: il professor Takaaki Kajita, premio Nobel per la fisica nel 2015 per aver misurato l’oscillazione dei neutrini e quindi aver mostrato che i neutrini hanno massa, e il professor Rainer Weiss, premio Nobel per la fisica nel 2017 per aver misurato le onde gravitazionali con l’interferometro LIGO. E abbiamo cercato di capire insieme a loro, quali saranno gli sviluppi della ricerca in astrofisica nei prossimi anni e quali contributi potrà dare il CTA.

Se vuoi approfondire le caratteristiche Cherenkov Telescope Array (CTA) e capire quali sono le sfide che attendono questa grande collaborazione internazionale di scienziati, puoi leggere questa intervista al direttore scientifico del progetto Federico Ferrini.

L'AVVENTO DELL'ASTRONOMIA MULTIMESSAGGERO

L'osservazione contemporanea di luce, onde gravitazionali e neutrini provenienti dalla stessa sorgente astrofisica raccontata da Takaaki Kajita

Qual è il più importante cambiamento nel modo di fare ricerca ora che l’astronomia multi-messaggero è fattibile? Venti anni fa non avevamo modo di osservare l’universo ad alte energie, ma ora con osservatori a raggi gamma, neutrino e onde gravitazionali è diventato possibile. Ciascun tipo di osservazione, singolarmente, fornisce risultati molto importanti; d’altra parte, se si lavora insieme, possiamo osservare lo stesso oggetto in modi diversi e possiamo studiare molto meglio che cosa succede: questa è l’astronomia multi-messaggero. Questo tipo di studi sono molto importanti per massimizzare le capacità di ciascun osservatorio astronomico oggi attivo. Il CTA è un ottimo esempio del fatto che la comunità scientifica sta investendo molto sull’astronomia multi-messaggero. Quale sarà, secondo lei, il contributo maggiore che il CTA potrà offrire nell’ambito dell’astronomia multi-messaggero? CTA dovrebbe essere una delle parti principali dell’astronomia multi-messaggero nei prossimi anni. Naturalmente le osservazioni di neutrini e onde gravitazionali possono dare il loro contributo in modo sostanzioso, ma dal punto di vista delle sorgenti astrofisiche osservabili, con CTA abbiamo numeri molto più grandi.

I tre telescopi del CTA (immagine: CTA)

Inoltre, CTA potrà osservare molti fenomeni astrofisici differenti rispetto a quelli osservabili raccogliendo dati sui neutrini e sulle onde gravitazionali. Per questo credo che CTA costituirà la parte centrale di tutta l’astronomia multi-messaggero nel prossimo futuro. Lei ha vinto il premio Nobel per la fisica per le sue scoperte nel campo dei neutrini. Secondo lei, quale sarà il ruolo della ricerca sui neutrini in astronomia nel prossimo futuro? Ho lavorato all’osservazione dei neutrini a bassa energia, in particolare mi sono occupato dei neutrini prodotti dai raggi cosmici che interagiscono con i gas presenti nella nostra atmosfera. In seguito ho anche lavorato al progetto dell’osservatorio Super Kamiokande per la rivelazione dei neutrini.

L'intervento del professor Takaaki Kajita in occasione del primo CTA Symposium di Bologna (immagine: Sandro Ciarlariello)

Se dovessi pensare a possibili sinergie tra Super Kamiokande e CTA, una delle possibilità è quella di osservare le esplosioni di supernova, cioè la fase finale di una stella molto più massiccia del Sole. Se avviene una supernova nella nostra galassia, Super Kamiokande dovrebbe osservare moltissimi neutrini provenienti da quell’esplosione. Allo stesso tempo, durante una supernova, l’esplosione accelera le particelle del gas che costituivano la stella e CTA ha il potenziale per osservare proprio come queste particelle sono accelerate. In questo modo possiamo capire meglio come funzionano questi fenomeni a energie così elevate.

Se vuoi approfondire i temi legati all'astronomia multimessaggero, puoi leggere questo Come te lo spiego scritto da Michele Avalle

LA MISURA DELLE ONDE GRAVITAZIONALI Rainer Weiss, uno dei pionieri delle "increspature" dello spazio-tempo, ci racconta il futuro in questo affascinante ambito di ricerca

In che modo LIGO, Virgo e l’osservazione delle prime onde gravitazionali hanno cambiato il modo in cui si fa oggi ricerca in astrofisica?

Non so se il modo in cui gli astrofisici fanno ricerca è cambiato già tanto: in fondo, quello dell’osservazione diretta delle onde gravitazionali è un campo di ricerca abbastanza recente e nuovo. Possiamo però pensare a che cosa accadrà in futuro. Probabilmente l’astronomia delle onde gravitazionali ci dirà un sacco di cose sui buchi neri che ci sono nell’universo, poiché non è possibile studiare questi fenomeni in altro modo. Probabilmente scopriremo moltissime cose anche sulle stelle di neutroni: con le onde gravitazionali è possibile osservare l’esatto momento in cui due stelle di neutroni collidono, e questo non è possibile farlo in altri campi dell’astronomia. Inoltre, le onde gravitazionali in questo modo ci possono raccontare molto sulla struttura interna delle stelle di neutroni e quindi anche abbracciare il campo della fisica nucleare. Oppure, si pensi all’esplosione di una supernova: l’osservazione delle onde gravitazionali da un fenomeno del genere ci può dire esattamente che cosa succede durante l’esplosione. In altre parole, con le onde gravitazionali abbiamo occhi diversi per osservare fenomeni che già conosciamo e questo di sicuro è il cambiamento più grande nel modo di fare ricerca. E ogni volta che osserviamo l’universo con occhi diversi non solo scopriamo nuove cose ma ci poniamo anche nuove domande. In quale modo i risultati di CTA potrebbero influenzare la futura ricerca nel campo delle onde gravitazionali? In questo momento, il miglior esempio per rispondere a questa domanda è parlare della collisione di due stelle di neutroni: quando questo fenomeno accade, noi osserviamo non solo le onde gravitazionali, ma subito dopo anche dei lampi di raggi gamma. Però si tratta, in questa situazione, di lampi di raggi gamma a bassa energia e, sebbene CTA possa dare un contributo in questo campo, non credo che sarebbe il contributo maggiore. Tuttavia, due stelle di neutroni che collidono formano alla fine un buco nero, magari rotante; in questo caso si formano anche dei getti che espellono materia lontano dal buco nero a velocità molto elevate, prossime a quelle della luce. Qui, nei getti, si formano raggi gamma a energie molto elevate: questo è il terreno ideale per CTA. Quindi, grazie a CTA potremmo studiare per la prima volta in assoluto il momento esatto in cui i getti in prossimità di un buco nero si formano ed evolvono.

L'intervento del professor Rainer Weiss in occasione del primo CTA Symposium di Bologna (immagine: Sandro Ciarlariello)

Misurare i raggi gamma da una collisione di due stelle di neutroni vuol dire inoltre misurare una controparte elettromagnetica (oltre alle onde gravitazionali). In questo modo è possibile capire in maniera molto precisa la posizione in cui è avvenuta la collisione, cioè la posizione in cui si trova il buco nero che si è appena formato. I progetti in cui lei è coinvolto in prima persona, LIGO e Virgo, hanno iniziato ad aprile 2019 la terza fase di osservazioni. Sono stati già osservati diversi segnali candidati a essere onde gravitazionali. Che cosa si aspetta da questa fase di osservazioni di LIGO e Virgo? Sì, in questa nuova fase di osservazioni LIGO e Virgo stanno registrando, in media, un potenziale evento di onde gravitazionali ogni settimana. In realtà noi mandiamo avvisi ogni volta che troviamo segnali sopra una certa soglia, perché magari così diventa possibile anche provare a cercare immediatamente una controparte elettromagnetica dallo stesso fenomeno che ha generato le onde gravitazionali, proprio allo scopo di avere astronomia multi-messaggero.

Un'immagine aerea dell'interferometro LIGO (immagine: LIGO/Caltech)

Questo viene fatto anche se poi il segnale non corrisponde davvero a onde gravitazionali, perché per cercare la controparte elettromagnetica bisogna muoversi il prima possibile con i telescopi ottici e con gli altri satelliti. In generale, per quanto riguarda questa fase, ci aspettiamo di osservare un buon numero di collisioni di stelle di neutroni, che ci permetteranno di lavorare proprio con l’astronomia multi-messaggero. Le osservazioni di onde gravitazionali fatte finora confermano la relatività generale? Le osservazioni delle onde gravitazionali finora hanno confermato in modo incredibile la teoria della relatività generale; i dati ci dicono, per esempio, che le onde gravitazionali si propagano alla velocità della luce, come previsto dalla teoria di Einstein. Inoltre, anche i calcoli teorici basati sulla relatività, i quali producono modelli che possiamo analizzare con i supercomputer, riproducono esattamente ciò che osserviamo con LIGO e Virgo. Abbiamo visto che la relatività generale funziona bene su un intervallo molto ampio di fenomeni: da quelli in cui i campi gravitazionali sono deboli, come qui sulla Terra e nel Sistema solare, a quelli in cui la gravità è molto intensa, come nei pressi dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Qual è la peculiarità delle misure che possiamo ottenere con le onde gravitazionali? Quello che potremmo ottenere dai dati futuri raccolti con LIGO e Virgo è una stima indipendente della costante di Hubble, un parametro che ci dice il tasso di espansione dell’universo e quindi, per esempio, come l’universo accelera a causa della presenza dell’energia oscura. Al momento diverse misure della costante di Hubble danno stime differenti e non capiamo il perché; magari con i dati delle onde gravitazionali saremo in grado di dare una stima che riesca a conciliare le diverse misure che abbiamo oggi oppure a gettare nuova luce su questo problema. Ma probabilmente per questo dovremo aspettare la prossima generazione di interferometri che costruiremo in futuro, come per esempio l’Einstein Telescope, che sarà un interferometro interamente costruito sotto terra. Sempre ad aprile 2019, abbiamo visto la prima storica immagine di ciò che c’è attorno al buco nero supermassivo che si trova al centro della galassia M87. Quali sono state le sue sensazioni quando gli scienziati dell’Event Horizon Telescope hanno reso pubblica quell’immagine? È stato un momento bellissimo per almeno due motivi. Primo, la tecnologia usata per realizzare l’Event Horizon Telescope. Quando studiavo la radiazione cosmica di fondo ho lavorato anch’io con lo stesso tipo di radiazioni, cioè onde elettromagnetiche che hanno lunghezza d’onda di qualche millimetro. Queste onde elettromagnetiche sono state usate anche per ottenere l’immagine del buco nero e so quanto sia difficile lavorare in quel campo. Riuscire a misurare queste onde con otto diversi radiotelescopi e fare interferometria combinando le osservazioni è stato un trionfo tecnologico incredibile.

La prima storica immagine di un buco nero dell'Event Horizone Telescope (immagine: NASA/Caltech)

Il secondo motivo importante è che l’immagine ci mostra quello che potrebbe essere un buco nero rotante: nell’immagine infatti si vede l’emissione di luce del gas attorno al buco nero. Una parte di questo gas è più brillante dell’altra, segno che il gas si sta muovendo in un disco attorno al buco nero, nel senso che la parte del gas che appare più brillante si muove verso di noi, mentre la parte meno brillante si allontana da noi. Adesso attendiamo anche le prime immagini del buco nero supermassivo al centro della Via Lattea, ma bisognerà aspettare ancora un po’. Quello che fanno gli scienziati dell’Event Horizon Telescope è però fantastico, perché non si tratta solo di scattare una foto di un buco nero, ma soprattutto provare a studiare in estremo dettaglio le caratteristiche di questi oggetti così misteriosi.