Rainer Weiss: 50 anni di LIGO e onde gravitazionali

Con i piedi per terra, senza pretese e desideroso di discutere della sua ricerca, il fisico Rainer Weiss è straordinariamente facile con cui parlare. Cinque anni fa, il suo lavoro gli fruttava la metà Premio Nobel 2017 per la Fisica, mentre l'altra metà va a Barry Barish e Kip Thorne, per “contributi decisivi al rivelatore LIGO e all'osservazione delle onde gravitazionali”. Quello con sede negli Stati Uniti Osservatorio delle onde gravitazionali dell'interferometro laser (LIGO) è dove le onde gravitazionali sono state osservate per la prima volta nel 2015, confermando definitivamente l'ultima previsione non testata della secolare teoria della relatività generale di Albert Einstein.

Nonostante ne presagisse l’esistenza, lo stesso Einstein dubitava che queste onde sarebbero mai state osservabili perché sono estremamente deboli. L’idea rivoluzionaria di Weiss di utilizzare l’interferometria laser lo ha finalmente reso possibile prima osservazione – delle onde gravitazionali emesse dalla fusione di due buchi neri, distanti 1.3 miliardi di anni luce dalla Terra – e molti altri che LIGO ha rilevato da allora. Ci sono voluti decenni di sforzi da parte di Weiss, dei suoi colleghi Nobel e di molti altri, e la scoperta ha rappresentato un apice nella fisica che ha inaugurato anche una nuova era nell'astronomia. Dall’avvento dell’astronomia osservativa, abbiamo scansionato l’universo principalmente osservando prima la luce visibile, poi un ampio spettro di onde elettromagnetiche. Ora le onde gravitazionali erano in grado di fornire un nuovo modo di sondare molti fenomeni cosmici. A soli sette anni dalla nascita dell’astronomia gravitazionale, essa ha già prodotto nuove e preziose conoscenze.

Dalla Germania nazista agli Stati Uniti, passando per Praga

Ciascuno dei tre premi Nobel ha seguito il proprio percorso verso questi successi. Il percorso di Weiss mostra come si formano fisici sperimentali di talento, come nuove idee scientifiche possono provenire da direzioni inaspettate e come sia necessaria pura perseveranza per portare a compimento un esperimento di fisica su larga scala.

Weiss è nato a Berlino, in Germania, il 29 settembre 1932, durante l'ascesa al potere dei nazisti. Il padre di Weiss, Frederick, che Rainer descrive come “un ardente e idealista comunista” fin dalla giovane età, era un medico. Essendo ebreo e comunista antinazista, che aveva testimoniato contro un medico nazista accusato di negligenza, Frederick fu arrestato dai nazisti quando la madre di Rainer, Gertrude, era incinta di lui. Per volere della moglie cristiana, la cui famiglia aveva alcuni contatti locali, Federico fu rilasciato e inviato a Praga. Una volta nato Rainer, Gertrude viaggiò con il suo nuovo bambino per raggiungere Frederick in Cecoslovacchia, dove la coppia ebbe un'altra figlia, Sybille, nel 1937.

Ma quando l’accordo di Monaco del 1938 permise alle truppe tedesche di entrare in Cecoslovacchia, la famiglia dovette fuggire ancora una volta. "Abbiamo ascoltato la decisione alla radio mentre eravamo in vacanza in Slovacchia e ci siamo uniti a un folto gruppo di persone dirette a Praga per tentare di ottenere un visto per emigrare in quasi qualsiasi altra parte del mondo che accettasse gli ebrei", ricorda Rainer nella sua biografia per il Nobel. . La famiglia si trasferì negli Stati Uniti nel 1939. Secondo la legge sull'immigrazione dell'epoca, ciò era possibile solo grazie alla professione di Frederick e perché una "donna davvero meravigliosa", come la chiama Weiss, della famiglia filantropica Stix di St. Louis, stanziò una cauzione per garantire che i Weisses non fossero un peso per la comunità.

Weiss è cresciuto a New York City, dove inizialmente ha frequentato la scuola pubblica. In quinta elementare, ha ricevuto una borsa di studio per unirsi a un'organizzazione locale di soccorso per i rifugiati Scuola di grammatica della Columbia – una scuola privata nel centro di Manhattan, che un tempo era associata alla preparazione degli studenti Columbia University. Musica, scienze e storia erano i suoi corsi preferiti e da adolescente costruiva sistemi audio personalizzati ad alta fedeltà o "hi-fi" per gli amanti della musica classica.

Quell'interesse e la sua stessa curiosità alla fine lo portarono alla fisica. Alla ricerca di una perfetta riproduzione del suono, Weiss ha cercato di eliminare elettronicamente il rumore di fondo prodotto dalla puntina di un fonografo mentre si muove lungo il solco di un disco vecchio stile, che rovinava la musica. Ma i suoi sforzi fallirono e decise di andare al college per imparare abbastanza da poter risolvere il problema. Quell'educazione è iniziata alle Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 1950.

Dall'elettronica alla fisica, attraverso una deviazione

Come specialista in ingegneria elettrica al MIT, Weiss avrebbe dovuto conoscere i generatori e le linee di trasmissione prima di poter studiare l'elettronica che lo interessava davvero. Questo piano rigido non era di suo gusto, così al secondo anno passò alla fisica, perché “aveva meno requisiti” e un curriculum più flessibile. Ma neanche questo ha funzionato immediatamente. Nel 1952 Weiss si innamorò di una giovane donna, una pianista. La relazione non finì bene e, con il cuore spezzato, Weiss fallì tutti i suoi corsi e dovette lasciare il MIT.

Ma non era tutto perduto. Nella primavera del 1953 ritornò al MIT come tecnico che lavorava presso il MIT Laboratorio del fascio atomico del fisico Jerrold Zacharias, che aveva sviluppato il primo orologio atomico. "La scienza svolta in quel laboratorio era squisita", ricorda Weiss. “Gli esperimenti stavano esaminando le proprietà di singoli atomi e molecole isolati non disturbati dai sistemi vicini. Ogni atomo era uguale al successivo ed era possibile porre domande fondamentali sulla loro struttura e sulle interazioni che li tenevano insieme”. Ciò che era iniziato come un ruolo di aiuto agli studenti laureati con i loro progetti di tesi, alla fine ha portato Weiss a lavorare direttamente con Zacharias sullo sviluppo del orologio a fascio atomico al cesio, che alla fine sarebbe diventato adottato come standard del tempo per il Bureau of Standards (ora National Institute of Standards and Technology) e la Marina degli Stati Uniti.

Sotto la guida di Zacharias, Weiss ha completato il suo laurea in fisica, poi dottorato di ricerca nel 1962e ho imparato a conoscere la sperimentazione ad alta precisione, un filo conduttore che ha portato a LIGO. Un ulteriore tema chiave è emerso quando Weiss ha lavorato come ricercatore associato presso un astronomo e un fisico Robert Dicke all'Università di Princeton, che Weiss definisce “uno degli eroi della mia vita”. Dicke e Weiss hanno cercato di sviluppare una versione moderna del Esperimento di Eötvös, per comprendere il principio di equivalenza della relatività generale dimostrando l'equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale. Poiché la nuova teoria della gravitazione di Dicke combinava un campo scalare con il campo tensore della relatività generale, la sua idea era quella di costruire un esperimento in grado di misurare come vibrerebbe l'intera Terra se passasse un'onda gravitazionale. Lo scopo dell'esperimento era misurare lo spettro della radiazione gravitazionale scalare, ma hanno scoperto che la sensibilità del loro gravimetro al quarzo era fortemente limitata a causa del rumore geofisico. Nonostante lo studio non avesse avuto successo, Weiss apprese le tecniche sperimentali di cui Dicke era stato il pioniere e che alla fine si sarebbero rivelate essenziali per LIGO e anche per molti altri esperimenti di fisica. In effetti, Weiss trovò che quei due anni a Princeton “furono profondamente importanti per il mio sviluppo scientifico”.

Dopo essersi unito alla facoltà di fisica del MIT come professore assistente nel 1964, Weiss ha lavorato a un progetto cosmologico che ha misurato lo spettro del fondo cosmico a microonde (CMB), la reliquia del Big Bang che ancora riempie l'universo. Ha contribuito alla ricerca stabilendo che il CMB segue una curva di corpo nero praticamente perfetta con una temperatura della sorgente di 2.7 K – la cui scoperta ha portato a Premio Nobel 2006 per gli scienziati principali, John Mather e George Smoot.

Misurare la gravità in una classe

Weiss continuò a pensare alle onde gravitazionali, soprattutto quando gli fu chiesto di tenere un corso sulla relatività generale al MIT. Non è stato facile. La matematica della relatività generale è scoraggiante e i corsi che insegnavano la materia erano più matematici che fisici. Discutendone oggi, Weiss dice: “Non sono un teorico. Sono un idraulico... un idraulico aspiratore, un idraulico elettronico, ma un idraulico." Così lui e i suoi studenti impararono insieme la matematica, ma, inaspettatamente, il suo background sperimentale divenne molto significativo.

Come spiega Weiss, in quel momento Joseph Weber dell'Università del Maryland stava cercando di rilevare le onde gravitazionali misurando la variazione di lunghezza di grandi cilindri di alluminio mentre un'onda li travolge. Quando gli studenti hanno chiesto a Weiss informazioni su tali misurazioni, ha escogitato un approccio pedagogico pensieri esperimento per mostrare in linea di principio come potrebbero essere realizzati. Metti due masse a una certa distanza l'una dall'altra nello spazio libero, una con un laser pulsato e l'altra con uno specchio. Ora misurate il tempo di viaggio di andata e ritorno della luce laser – e quindi la distanza. Se un’onda gravitazionale di passaggio modificasse la distanza, misurazioni temporali sufficientemente precise mostrerebbero l’effetto. Poiché tutte le misurazioni vengono effettuate nella posizione spazio-temporale del laser, il calcolo della relatività generale diventa semplice – infatti Weiss lo ha assegnato come problema di classe.

La presunta rilevazione delle onde gravitazionali da parte di Weber nel 1969 non fu mai replicata, ma l’esempio ispirato dal suo lavoro si trasformò in LIGO. Weiss ha migliorato l'idea originale aggiungendo un secondo percorso del raggio con uno specchio a un'estremità, posizionato ad angolo retto rispetto al primo percorso a forma di "L" con un divisore del raggio alla giunzione. Si tratta di un interferometro di Michelson, che effettuò misurazioni ultra precise della velocità della luce nell'esperimento Michelson-Morley del 1887 e anche dello spettro CMB. Nella relatività generale, un'onda gravitazionale che viaggia perpendicolare al piano dei bracci allungherebbe uno e contrarrebbe l'altro, modificando il modo in cui le onde luminose nei due bracci interferiscono. Questo, ha concluso Weiss, sarebbe molto più sensibile della misurazione del tempo di viaggio lungo un unico percorso.

Weiss ricorda come nell'estate del 1971 “sedette in una piccola stanza calcolando tutte le cose che avrebbero interferito con quell'esperimento”, comprese le fonti di rumore. Il suo risultato fu notevole: con bracci lunghi diversi chilometri, sarebbe stato possibile misurare variazioni di distanza fino a 10^-18 m – appena un millesimo delle dimensioni di un protone – mentre le onde gravitazionali di passaggio sollecitano lo spazio provocando una tensione di 10^-21.

Banco di prova e prime osservazioni

Alcuni colleghi di Weiss erano scettici riguardo alle onde gravitazionali, ma Weiss continuò a sviluppare la sua idea. Ha ricevuto una verifica sperimentale quando piccoli interferometri di prova costruiti nel suo laboratorio e da un gruppo tedesco hanno confermato i suoi calcoli. Un sostegno più ampio arrivò dopo il 1975, quando Weiss ricollegò i contatti con un conoscente dei suoi tempi a Princeton, il Kip Thorne, fisico teorico del Caltech. Vedendo il potenziale della ricerca sulle onde gravitazionali, Thorne sostenne l’idea di Weiss al Caltech. Nel 1979 il National Science Foundation ha finanziato Caltech e MIT per effettuare uno studio di fattibilità del rilevamento interferometrico. Nel 1990 sostenne LIGO come operazione Caltech-MIT con la più grande sovvenzione mai concessa. Ciò ha consentito la costruzione di rilevatori identici con bracci lunghi 4 km Hanford, Washington e Livingston, Louisiana, per studi di coincidenza per confermare eventuali avvistamenti. Questi incorporavano molti concetti tecnici sviluppati dal fisico sperimentale Ronald Drever del Caltech.

Dopo che LIGO ha iniziato a funzionare nel 2002, ha raggiunto la sensibilità prevista, ma per nove anni non sono state rilevate onde gravitazionali. I dispositivi sono stati poi notevolmente migliorati, con il risultato di un migliore isolamento dalle fonti di rumore “LIGO avanzato” (aLIGO) oltre cinque anni dopo. Con sensibilità aumentata di 10 volte, attiva 14 settembre 2015, aLIGO fece la prima osservazione in assoluto delle onde gravitazionali provenienti da due buchi neri che si fondevano: una scoperta miracolosa poiché la macchina era ancora in fase di calibrazione per la prima corsa ufficiale (Mondo della fisica 2017; 30 (10) 33).

Qualche anno dopo, su 17 agosto 2017, aLIGO ha effettuato la prima osservazione in assoluto delle onde gravitazionali provenienti da due stelle di neutroni che si fondono (ha partecipato anche il rilevatore di onde gravitazionali Virgo in Italia). Non si trattava di eventi isolati. Alla fine del suo ultimo ciclo di osservazione, completato alla fine del 2021, aLIGO aveva riportato un totale di 90 osservazioni di fusioni di due buchi neri (la maggioranza), due stelle di neutroni o un buco nero e una stella di neutroni. 

Guardando indietro, guardando avanti

Quando contempla questi primi sette anni di astronomia gravitazionale, Weiss è esultante. "Penso che LIGO sia stato un enorme successo", dice, elogiando in particolare il modo in cui convalida la relatività generale e l'astrofisica dei buchi neri. I risultati di LIGO mostrano che comprendiamo i buchi neri abbastanza bene da prevedere i dettagli della loro interazione tra due corpi, che nella relatività generale è difficile da calcolare quanto il problema dei tre corpi nella fisica classica. Un altro risultato è il catalogo delle interazioni di LIGO tra buchi neri di masse diverse, che fornisce indizi su come potrebbero formarsi nei buchi neri supermassicci al centro delle galassie.

Weiss individua anche un evento particolare che “ha suscitato grande scalpore [e] ha prodotto così tanta scienza da essere incredibile”. Le due stelle di neutroni in collisione osservate nel 2017 hanno generato anche radiazioni elettromagnetiche, dai raggi gamma alle onde radio, che sono state monitorate dagli osservatori di tutto il mondo (vedi "Un nuovo messaggero cosmico" di Imre Bartos). Questo ottimo esempio di astronomia “multi-messaggero” ha fornito una posizione precisa per l’evento; ha dimostrato che l'interazione ha prodotto oro e platino, fornendo nuove informazioni su come le stelle producono elementi pesanti; confermato che le onde gravitazionali viaggiano esattamente alla velocità della luce; e ha fornito un nuovo modo per misurare la costante di Hubble e forse mettere a tacere le attuali incertezze sul suo valore.

L’entusiasmo di Weiss cresce quando gli viene chiesto del futuro dell’astronomia gravitazionale. Un componente sarebbe il Interferometro Cosmic Explorer, suggerito da Matthew Evans ed Nergis Mavalvala al MIT. Weiss sostiene fortemente questo dispositivo di prossima generazione, i cui bracci lunghi 40 km lo renderebbero 10 volte più sensibile dell'avanzato LIGO. Gli scienziati europei stanno considerando il triangolare Telescopio Einstein con bracci lunghi 10 km, e l'Agenzia spaziale europea propone di lanciare il triangolare Antenna spaziale con interferometro laser (LISA) negli anni '2030. I suoi tre veicoli spaziali – distanziati di 2.5 milioni di km l’uno dall’altro e dotati di laser e specchi – formerebbero un rilevatore ipersensibile.

Ciascun rilevatore risponderà a diverse frequenze delle onde gravitazionali, che dipendono inversamente dalla massa dell'oggetto irradiante. Proprio come l’astronomia normale utilizza diverse parti dello spettro elettromagnetico per studiare vari fenomeni celesti, così stiamo iniziando a vedere osservatori gravitazionali sintonizzati per rilevare diverse classi di eventi gravitazionali. Per i buchi neri, le possibilità vanno dalla ricerca di piccoli ipotetici buchi neri primordiali alla comprensione di come i buchi neri supermassicci siano legati alla formazione delle galassie. Le onde gravitazionali provenienti dalla fusione di stelle di neutroni approfondiranno la nostra conoscenza dell’evoluzione stellare e della materia nucleare densa. Potrebbero anche derivare dalle pulsar per integrare ciò che le onde elettromagnetiche rivelano su di loro. In termini più speculativi, alcuni ricercatori suggeriscono che i metodi multi-messaggero potrebbero mostrare se il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia è davvero l’estremità di un wormhole.

Ciò che più entusiasma Weiss di questi futuri rivelatori è che potrebbero “fare scienza spettacolare portando il campo nella cosmologia, lo studio dell’intero universo”. Come spiega il teorico russo Alexei Starobinskiǐ ha dimostrato che se una fluttuazione del vuoto mettesse in moto il cosmo, quando l’universo subisse una rapida inflazione cosmica, l’accelerazione inimmaginabile produrrebbe moltissime onde gravitazionali a bassa frequenza. Come la radiazione di fondo cosmica, queste formerebbero uno sfondo universale residuo, ma originario di un tempo molto vicino al Big Bang e portatore di nuove informazioni sui primi processi come la creazione della materia oscura. Queste onde sarebbero difficili da rilevare, ma i ricercatori stanno progettando una combinazione di rilevatori terrestri e spaziali che costituirebbero un nuovo strumento per affrontare alcune grandi questioni di fisica, astronomia e cosmologia.

Ma mentre riflette sulla sua lunga carriera e sulla ricerca futura, Weiss non vuole riassumere le cose dicendo semplicemente “Non sono quel tipo di persona”. Potrebbe essere deludente non avere un commento finale ma, nel suo impegno decennale per costruire con successo LIGO, nella sua visione di far avanzare ulteriormente la scienza delle onde gravitazionali, e nella sua passione contagiosa per entrambi, Rainer Weiss ha già detto in modo eloquente tutto quello che ha da dire.