In risposta al bando dell’European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI), la cui scadenza era stata posticipata a causa dell’emergenza covid-19, un team formato da scienziati italiani ed europei, tra cui anche ricercatori dell’INAF-Osservatorio Astronomico d’Abruzzo, ha proposto la realizzazione dell’Einstein Telescope (ET), un osservatorio pionieristico di terza generazione per la rivelazione delle onde gravitazionali. Il progetto, il cui studio di fattibilità è stato già sostenuto dalla Commissione Europea ed inserito nel VII Programma Quadro, se approvato, si inserirà nella “Roadmap 2021 Update”, il nuovo piano degli strumenti strategici selezionati dall’ESFRI, l’organismo internazionale che definisce quali saranno le future grandi infrastrutture di ricerca in Europa, nell’intento di favorire l’integrazione scientifica e rafforzare l’impatto della scienza nella comunità internazionale.

Nell’ultimo quinquennio – spiega Enzo Brocato direttore di OAAb e membro dello Steering Committee di ET – le impressionanti conquiste scientifiche dei rivelatori di onde gravitazionali di seconda generazione, l’Advanced Virgo in Europa e l’Advanced LIGO negli Stati Uniti, hanno dato inizio all’era dell’astronomia gravitazionale. Nell’agosto 2017, i due esperimenti rivelarono per la prima volta le onde gravitazionali emesse da due stelle di neutroni coalescenti. Ad aggiungere eccezionalità a quello storico evento, in simultanea vari telescopi a terra e nello spazio ne osservarono anche il segnale elettromagnetico, in tutta la gamma di lunghezze d’onda, dalle onde radio ai raggi gamma, rendendo possibile l’identificazione della natura del fenomeno. Quella scoperta ha segnato l’inizio dell’astronomia multi-messaggera: l’osservazione dell’universo attraverso un nuovo strumento di indagine, le onde gravitazionali, in aggiunta alle tradizionali onde elettromagnetiche.

Da quel momento la ricerca non si è più fermata. Sono stati captati e misurati numerosi altri segnali, molti provenienti da sistemi binari composti da due buchi neri (BH-BH), con un tasso di scoperta quasi settimanale, che hanno consentito di ottenere eccezionali risultati in astrofisica e in fisica fondamentale. In campo astrofisico, ad esempio, le osservazioni spettroscopiche multibanda della kilonova associata all’evento GW170817 ci hanno consentito di svelare i meccanismi di formazione di alcuni elementi chimici pesanti durante i cosiddetti “processi r”; lo stesso evento GW170817 ha contribuito a risolvere il problema a lungo dibattuto sull’origine di alcuni “short gamma ray bursts”, lampi gamma corti e, in ambito cosmologico, la possibilità di determinare il valore della costante di Hubble. L’identificazione di decine di sistemi binari BH-BH ha rivelato la presenza di una popolazione di buchi neri con massa stellare molto più ricca di quanto dedotto in precedenza dalle osservazioni in banda X. Per arrivare, infine, alla recente scoperta della fusione di due buchi neri stellari che ha prodotto un buco nero di massa 142 volte più pesante del Sole, dimostrando l’esistenza di oggetti ipotizzati dalla teoria, ma mai osservati prima.

Alla luce di questi risultati – continua Enzo Brocato –  è arrivato il momento di costruire la terza generazione di osservatori di onde gravitazionali, per sfruttare appieno il potenziale di questo nuovo modo di osservare l’universo. Il progetto dell’Einstein Telescope, dedicato doverosamente ad Albert Einstein che poco più di 100 anni fa teorizzò l’esistenza delle onde gravitazionali, prevede la costruzione di un gigantesco interferometro triangolare sotterraneo, collocato a una profondità tra i 100 e i 300 metri, per isolarlo dal ‘rumore’ delle onde sismiche, composto da bracci lunghi 10 km al cui interno verranno collocati specchi di altissima qualità. Quando l’onda gravitazionale attraversa l’interferometro, la lunghezza dei bracci subisce una infinitesima variazione che viene rivelata dall’esperimento.

Grazie alla sua estrema sensibilità alle basse frequenze, il telescopio Einstein permetterà di osservare con regolarità le onde gravitazionali inaugurando così l’astronomia gravitazionale di precisione. Ne deriverà un notevole miglioramento nella complessa procedura di identificazione e follow-up delle controparti elettromagnetiche, campo in cui i ricercatori dell’Osservatorio d’Abruzzo sono alla guida e partecipano a collaborazioni nazionali e internazionali come GRAWITA ed ENGRAVE, che utilizzano un network di telescopi ottici in tutto il mondo, tra cui anche il telescopio Schmidt di Campo Imperatore.

La maggiore sensibilità di ET, si tradurrà sia nella capacità di osservare sorgenti più lontane, sia di localizzarle nel cielo con un margine di incertezza minore di quanto attualmente possibile. In sostanza, riducendo l’area da esplorare, verrà ridotto anche il numero di sorgenti contaminanti e di galassie che possono ospitare la sorgente emettitrice, consentendo una sempre più efficace sinergia di lavoro tra la ricerca di onde gravitazionali e il network di telescopi “elettromagnetici”. L’eccezionale scoperta del 17 agosto 2017, con l’osservazione di onde gravitazionali e di radiazione elettromagnetica emesse dalla stessa sorgente, ha aperto una finestra su un nuovo campo scientifico che verrà pienamente esplorato da ET, insieme alla nuova generazione di telescopi a terra e nello spazio per la rivelazione di onde elettromagnetiche, quali E-ELT, SKA, Cherenkov Telescope Array, Rubin Observatory, ATHENA e THESEUS, nei quali l’Istituto Nazionale di Astrofisica e l’Osservatorio d’Abruzzo in particolare, partecipano sia in termini di sviluppo tecnologico sia di programmi scientifici.

Le nuove tecnologie impiegate in ET ci consentiranno di rivelare ogni anno migliaia di sistemi binari di stelle di neutroni in fase di coalescenza, migliorando la nostra comprensione del comportamento della materia in condizioni estreme di densità e pressione, impossibili da riprodurre in qualsiasi laboratorio. Inoltre, potremo avere la possibilità di studiare la fisica e l’origine dei buchi neri, la loro evoluzione e distribuzione nell’universo, la fisica dei neutrini e la fisica nucleare che domina le esplosioni stellari di supernove. Con una sensibilità di almeno un ordine di grandezza superiore agli attuali rivelatori, ET contribuirà ad approfondire la comprensione dell’universo e la sua evoluzione. Una vera e propria rivoluzione dell’astronomia nei decenni futuri.

Oltre all’Istituto Nazionale di Astrofisica, il consorzio ET riunisce altri enti di ricerca italiani: l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, coordinatore del progetto insieme agli olandesi di Nikhef, il Gran Sasso Science Institute e l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, università italiane e altri istituti di ricerca in diversi paesi europei, tra cui Francia, Germania, Ungheria, Norvegia, Svizzera e Regno Unito. L’Italia guida il gruppo di nazioni che ha presentato la proposta in virtù della sua lunga tradizione scientifica nel settore della rivelazione diretta delle onde gravitazionali (l’esperimento Virgo è installato in Toscana) e dello studio delle controparti elettromagnetiche (collaborazione GRAWITA). Inoltre, per la realizzazione di ET sono stati individuati un sito in Sardegna ed uno nella regione Mosa-Reno, al confine tra Belgio, Germania e Paesi Bassi: l’Italia si candida, dunque, ad ospitare l’infrastruttura ET, con rilevanti sviluppi industriali e tecnologici.

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