Tra lo scolmatore dell’Arno e Cascina, in piena campagna pisana tra i campi di grano e le antiche cascine, può succedere di imbattersi in un lungo tubo metallico che taglia i campi per tre chilometri in linea retta e che forma un angolo di 90° con un altro lungo tubo sempre di tre chilometri. Se vi ci imbattete, quello che state guardando è un interferometro. Al mondo, ce ne sono solo altri due: uno nello stato di Washington e l’altro in Louisiana.

Si tratta di Virgo, l’osservatorio che fa capo all’European Gravitational Observatory (EGO) finanziato da Francia e Italia (INFN, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Italiano, e il francese CNRS, Centre National de la Recherche Scientifique). Oggi, per guardare il cielo, si usa la luce infrarossa invisibile, i raggi x, gamma, particelle come protoni, elettroni eccetera. Tuttavia, l’osservazione rimane limitata all’esterno delle stelle o delle galassie. Qui si prova a vedere l’universo con la gravità. Un altro modo di guardare le cose, di avere altre informazioni e capire ancora di più l’universo.

Virgo sta ancora completando la costruzione di Advanced Virgo, che migliora la sensibilità dell’interferometro, ma i suoi “fratelli” statunitensi di LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a settembre scorso hanno già intercettato, per la prima volta, un’onda gravitazionale, ovvero una perturbazione dello spazio-tempo che ha origine da eventi dell’universo. Un evento, questo, che la comunità scientifica aspettava da 50 anni. O meglio da 100, se si conta che l’esistenza delle onde gravitazionali fu prevista da Albert Einstein nel 1916, come conseguenza della sua teoria della relatività generale. Entrati nel sito abbiamo la fortuna di incontrare due “padri” di Virgo, che hanno visto i primi cantieri e partecipato alle decisioni su come costruirlo. Si tratta di Enrico Calloni, professore di fisica all’Università di Napoli, membro del Detection Committee di Virgo dopo essere stato coordinatore del Commissioning (ovvero la messa a punto del rivelatore), e Federico Paoletti, ingegnere elettronico a EGO (European Gravitational Observatory). Farsi spiegare da loro le basi dell’astrofisica è un’esperienza: l’intensità della loro passione fa sembrare la storia delle onde gravitazionali c la saga de Il Signore degli Anelli.

“L’idea che si potessero ‘sentire’ le onde gravitazionali era stata capita intorno agli anni ’60 da Joseph Weber”, racconta il professor Calloni, che ha partecipato alla costruzione dell’interferometro Virgo fin dal suo inizio nel 2003. “L’idea dell’interferometro risale al 1963 e venne praticamente nello stesso momento a Rainer Weiss del MIT e a uno scienziato russo, Vladislav Ivanovich Pustovoyt. Furono quindi necessari 40 anni dalla teoria di Einstein prima di arrivare a pensare che si potessero concretamente intercettare le onde gravitazionali. Il primo interferometro, costruito nel 1972 a Malibù da Robert L. Forward, era lungo 3 metri: quello di oggi arriva a tre chilometri”.

Le dimensioni, così come l’efficienza dell’interferometro di oggi, sono ovviamente molto diverse, ma lo schema è quello di due masse, poste a grande distanza una dall’altra, che vengono allontanate e poi avvicinate dal passaggio dell’onda gravitazionale. La variazione è però così piccola che solo strumenti estremamente sofisticati possono riuscire a misurarla. “Inizialmente ci aspettavamo segnali veloci da supernove (esplosioni di stelle, ndr)”, spiega ancora Calloni. “Poi abbiamo iniziato a cercare segnali più lenti. I buchi neri sono arrivati per ultimi e solo intorno al 2007 si è capito che sarebbero state le sorgenti più probabili. Adalberto Giazotto, fondatore di Virgo, ha avuto per primo quest’intuizione e ha puntato da subito alle basse frequenze. Nel 2008 divenne chiaro che anche i grandi investimenti americani si stavano avviando nella stessa direzione: ovvero l’attesa di segnali più lenti dovuti alla formazione di buchi neri. Tra le previsioni, questa è quella che si è avverata meglio. Non eravamo certi, ma eravamo pronti”.

Dopo quarant’anni di esperimenti e cento di teoria, il primo segnale, quindi, è arrivato a settembre 2015. “La mattina del 14 settembre”, conferma Federico Paoletti, ingegnere elettronico che lavora a Virgo fin dagli inizi, “dai due interferometri di Ligo negli USA ci comunicarono di aver sentito qualcosa. Le due ‘antenne’, tra l’altro, non erano in un momento programmato di raccolta dati, bensì nella fase di messa a punto. Il fatto però che fossero accese entrambe è stato un colpo di fortuna incredibile. Il segnale arrivato era molto forte, al di là di ogni previsione teorica”.

Ma cos’è, per loro, un’onda gravitazionale? “Per chi lavora in questo campo è la più bella manifestazione della teoria della gravità”, spiega Calloni. “Vedere due buchi neri, per chi fa gravitazione, è la cosa più pulita, perché un buco nero è quasi un ente matematico”.

Per la comunità scientifica, dicono i due scienziati, il segnale rappresenta una nuova finestra sull’universo. “Prima di questa scoperta, per noi era oscuro tutto l’universo denso. Tutte le stelle, le galassie, potevamo solo guardarle da fuori ma non avevamo la  possibilità di vederle dentro. Le onde gravitazionali, invece, passando molti strati di materia senza essere perturbate, ci permetteranno, una volta che riusciremo a decifrarle, di vedere quello che succede all’interno. È un grande passo in avanti”.

Il lavoro futuro sarà quello di capire il segnale e rivelare quello che c’è in un buco nero. “Attorno al buco nero  – dice Calloni – c’è il cosiddetto ‘orizzonte degli eventi’. Al di là di quello, non siamo in grado di dire cosa avviene, neanche teoricamente. Si ipotizza che, all’interno di un buco nero, ci sia una gravità fortissima che rallenta infinitamente il tempo e ripiega lo spazio, ma per descrivere questa condizione dovrebbe intervenire la meccanica quantistica, ovvero la teoria che studia l’infinitamente  piccolo.  Nessuno, però, ha mai però studiato la gravità insieme alla meccanica quantistica: è un mondo totalmente nuovo”.