MISSIONE ESA SUL TEMA ‘GRAVITATIONAL UNIVERSE’

Nello spazio a caccia di onde gravitazionali

Dopo le missioni verso le lune di Giove e per lo studio dell'Universo nei raggi X, l'Agenzia Spaziale Europea ha ufficializzato l'ultimo argomento della terza grande missione prevista dal programma Cosmic Vision. Sarà dedicata allo studio delle onde gravitazionali. Ce ne parla Monica Colpi, astrofisica e docente dell'Università di Milano Bicocca.

Visione artistica dell'interferometro spaziale eLISA, dedicato alla rivelazione delle onde gravitazionali. Crediti: eLISA consortium

Visione artistica dell’interferometro spaziale eLISA, dedicato alla rivelazione delle onde gravitazionali. Crediti: eLISA consortium

L’Agenzia Spaziale Europea cala il tris sullo studio del Cosmo. Gravitational Universe, ovvero ‘L’Universo  Gravitazionale’ è il tema della terza missione di classe L (Large) ovvero grande, ufficializzata il 28 novembre scorso dallo Science Programme Committee dell’ESA. Così dopo JUICE, dedicata allo studio delle lune ghiacciate di Giove e ATHENA+, il futuro osservatorio orbitante nei raggi X, l’Europa si prepara ad aprire una nuova finestra sull’Universo, quella delle onde gravitazionali. A ‘sintonizzarsi’ su questi elusivi segnali ci sarà un interferometro spaziale, il cui progetto preliminare è stato battezzato eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna) e che, secondo i piani attuali, sarà operativo nel 2034. A fargli da battistrada sarà la missione LISA Pathfinder, che verrà lanciata nel 2015 e testrà sul campo, ovvero nello spazio, le tecnologie cruciali per la futura realizzazione di eLISA.

Abbiamo contattato Monica Colpi, docente dell’Università di Milano Bicocca, che fa parte del team scientifico di eLISA, per raccontarci questa ambiziosa missione e i suoi obiettivi scientifici.

Innanzi tutto, professoressa Colpi, perché è così importante studiare le onde gravitazionali, tanto da spingere il comitato scientifico dell’ESA ad approvare questo tema nella sua terza grande missione nell’ambito del piano Cosmic Vision, prevista tra circa venti anni?

Finora la visione dell’Universo che abbiamo proviene dall’ informazione trasportata dalle onde elettromagnetiche, dalle onde radio fino ai raggi gamma. Sappiamo però che la gravità è il motore che guida tutti i processi cosmici. Anche la gravità ha i suoi messaggeri,  le “onde gravitazionali”, ovvero perturbazioni della tessitura dello spazio-tempo che viaggiano alla velocità della luce,  prodotte da sorgenti cosmiche dove la gravità è estrema. Quindi osservare l’Universo nelle onde gravitazionali è una sfida straordinaria per rivelarne un’altra ‘faccia’ finora invisibile. Uno dei vantaggi dello studio di questi segnali è che le onde gravitazionali non vengono assorbite nel loro viaggio nello spazio e ci danno così accesso a fenomeni che sono avvenuti quando l’Universo e le strutture cosmiche si stavano per formare, fino a spingerci ad epoche remote,  appena 200 milioni di anni dopo il Big Bang. I segnali che verranno rivelati dalla missione sviluppata nell’ambito del tema scientifico ‘Universo Gravitazionale’ sono quelli di bassa frequenza, associati alle fusioni di due buchi neri con masse del milione di volte quella del Sole in galassie primordiali e in collisione. L’analisi della forma di queste onde permetterà di ottenere misure super accurate delle masse dei buchi neri e dell’entità della loro rotazione, tanto da poter risalire alla struttura dello spazio-tempo nelle loro vicinanze  e compiere dei test sulla Relatività Generale. Ma non solo: alle frequenze di osservazione del futuro osservatorio spaziale si potrà rivelare, se presente, una sorta di rumore di fondo cosmico di onde gravitazionali che è stato prodotto durante il Big Bang. La sua scoperta permetterà di comprendere l’origine dell’Universo e magari  approdare a una teoria quantistica della gravitazione. 

 

Il 2015 vedrà il lancio dell’interferometro spaziale LISA Pathfinder, un passaggio decisivo per lo sviluppo della missione associata al tema de ‘L’Universo Gravitazionale’, ovvero eLISA, che dovrebbe volare attorno al 2034. E’ così?

eLISA è un interferometro spaziale che sarà costituito da tre satelliti posti ai vertici di un ideale triangolo equilatero, ciascuno alla distanza di un milione di chilometri l’uno dall’altro e tutti in movimento su un’orbita eliocentrica.  Un’onda gravitazionale, al suo passaggio, mette in oscillazione piccole masse  presenti all’interno di ciascun satellite, variando così la loro separazione relativa. Per le sorgenti di eLISA lo spostamento atteso è straordinariamente piccolo, dell’ordine di qualche picometro, ovvero qualche milionesimo di milionesimo di metro! E’ facile quindi intuire quanto siano ambiziose le sfide tecnologiche di questa missione. Per questo LISA Pathfinder porterà nello spazio due piccoli cubi di 46 mm in oro e platino, isolati da ogni possibile perturbazione esterna e ne misurerà la loro posizione rispetto al veicolo spaziale. I cubi in oro e platino  fungono da specchi e da masse test in caduta libera nel campo gravitazionale del Sistema solare. Piccoli razzi, i cosiddetti Micro-Newton thrusters agiranno con estrema dolcezza sul veicolo per mantenerlo in perfetta caduta libera, annullando così gli effetti della gravità locale. LISA Pathfinder non rivelerà le onde ma eseguirà i test tecnologici di grande precisione affinché la futura costellazione di tre satelliti di eLISA operi con masse in caduta perfettamente libera così da permettere di rivelare lo spostamento dovuto effettivamente al passaggio dell’onda gravitazionale.

L’Italia e i ricercatori italiani sono, fin dagli anni ’60 del secolo scorso con i primi esperimenti di Edoardo Amaldi, all’avanguardia nello studio delle onde gravitazionali. Un primato che continua anche con queste missioni spaziali…

Stefano Vitale, professore dell’Università di Trento e ricercatore INFN è il Principal Investigator della missione LISA Pathfinder. Quindi l’Italia è il riferimento per l’aspetto tecnologico di questo progetto, che è il più importante perché è una sfida concepire e realizzare un interferometro di questo tipo che, a differenza dei rivelatori attuali, sarà in grado di captare onde gravitazionali su ampio intervallo di frequenze. E anche l’Agenzia Spaziale Italiana gioca un ruolo fondamentale, partecipando al finanziamento della missione.

Sulla Terra sono già attivi da diversi anni osservatori per le onde gravitazionali. Ma allora l’entrata in funzione dell’interferometro spaziale eLISA li renderà di colpo obsoleti e inutili?

No, assolutamente! Le sorgenti che eLISA studierà sono assolutamente complementari a quelle che riveleranno LIGO e VIRGO, ovvero buchi neri stellari e stelle di neutroni coalescenti nell’Universo vicino. La coesistenza di più esperimenti per la rivelazione delle onde gravitazionali può solo che arricchire la nostra conoscenza dell’Universo e delle sue diverse popolazioni. E in questa nuova finestra osservativa potrà integrarsi e svilupparsi anche tutto il nostro prezioso bagaglio raccolto finora dall’astrofisica elettromagnetica. 

Per saperne di più:

Il sito web del consorzio eLISA