Il 15 febbraio è stata la giornata della Galileo Galilei Medal, riconoscimento conferito con frequenza biennale dall'INFN con il Galileo Galilei Institute (GGI), il suo centro nazionale di studi avanzati con sede a Firenze, a scienziate o scienziati che si sono contraddistinti negli ultimi 25 anni per gli eccezionali contributi forniti nell’ambito nel campo della fisica teorica. La proclamazione dei vincitori dell’edizione 2021 del premio, svoltasi in concomitanza del compleanno dello stesso Galileo Galilei, è arrivata a soli pochi giorni di distanza dalla ricorrenza di un altro annuncio, quello con cui cinque anni fa la collaborazione Ligo Virgo diede notizia della prima storica osservazione di onde gravitazionali generate dalla fusione di due buchi neri. Una coincidenza del tutto casuale, che ha tuttavia contribuito a rendere ancora più significative le decisioni del comitato internazionale di selezione della Galileo Galilei Medal, che quest’anno ha assegnato l’onorificenza ad Alessandra Buonanno, direttrice del Dipartimento di "Relatività Astrofisica e Cosmologica" all'Istituto Max Planck per la Fisica Gravitazionale di Potsdam, Thibault Damour, professore ordinario presso l’Institut des Hautes Études Scientifiques a Parigi, e Frans Pretorius, professore di fisica all'Università di Princeton e direttore della Princeton Gravity Initiative, proprio per il fondamentale ruolo svolto nello sviluppo degli strumenti teorici che hanno reso possibile l’analisi del segnale prodotto dalle onde gravitazioni. Gli studi che hanno valso il premio ai tre ricercatori si sono infatti dimostrati decisivi per la risoluzione delle complesse equazioni relativistiche che descrivono l’evoluzione di un sistema composto da due corpi che spiraleggiano uno intorno all’altro, soluzioni indispensabili per l’individuazione dei profili delle onde gravitazionali prodotte dal processo di coalescenza di buchi neri, di stelle di neutroni o di coppie composte da entrambe queste tipologie di oggetti. Risultati a cui Thibault Damour insieme ad Alessandra Buonanno, nel 1998, e Frans Pretorius, nel 2005, sono giunti in maniera indipendente e utilizzando approcci alternativi: analitico, nel primo caso, e numerico, quindi computazionale, nel secondo.
Il miglioramento di queste metodologie di analisi ha condotto alla precisione con cui gli scienziati coinvolti nei grandi progetti dedicati allo studio delle onde gravitazionali sono oggi in grado di discriminare e di caratterizzare i particolari corpi celesti coinvolti negli eventi all’origine delle stesse onde. Tra coloro che hanno contribuito ad aumentare il grado di dettaglio con cui le equazioni descrivono i violenti fenomeni capaci di emettere le perturbazioni dello spazio tempo osservate dagli interferometri, anche Alessandro Nagar, ricercatore della sezione di Torino dell’INFN e collaboratore di lungo corso di uno dei vincitori della Galileo Galilei Medal, Thibault Damour.
[as]: Dottor Nagar, ci può spiegare quali sono i risultati che hanno consentito a Frans Pretorius di aggiudicarsi la Galileo Galilei Medal e perché sono così importanti nel campo della rivelazione delle onde gravitazionali?
[Nagar]: Pretorius, nel 2005, ha risolto per primo il problema della coalescenza di due buchi neri, riuscendo, dopo anni di lavoro, a calcolare la dinamica e l’onda emessa da questo tipo di fenomeni grazie all’utilizzo della relatività numerica, ovvero avvalendosi dei super computer per effettuare delle simulazioni numeriche in grado di generare risultati per le equazioni di Einstein. Un problema su cui la fisica teorica era impegnata da decenni e che era di importanza cruciale per stabilire la forma d’onda di quelle che all’epoca venivano considerate le sorgenti più promettenti e comuni di onde gravitazionali. Idea dimostratasi poi vera. Per misurare i parametri dell’onda, differenziandoli dal rumore di fondo, c’è infatti bisogno di conoscere in anticipo le loro caratteristiche. È inoltre importante sottolineare come Pretorius sia arrivato da solo a questo risultato, anche se all’epoca c’erano vari gruppi di ricerca che lavoravano sullo stesso problema con altre infrastrutture e molte persone.
[as]: Cosa ci può dire invece in merito al lavoro svolto da Alessandra Buonanno e Thibault Damour?
[N]: Il contributo della Buonanno e di Damour è precedente a quello di Pretorius ed è stato in qualche modo valorizzato dalla scoperta di quest’ultimo, perché nel 1998, anno di pubblicazione del secondo paper premiato, quando mancavano all’incirca dieci anni all’attivazione degli interferometri di Ligo, la relatività numerica non aveva ancora prodotto i risultati attesi. Non avendo perciò informazioni numeriche attraverso le quali venire a capo del problema della forma delle onde gravitazionali, c’era la necessità di lavorare sull’informazione analitica, ovvero su equazioni e formule, che tuttavia risultavano essere efficaci per descrivere unicamente sistemi in cui i corpi possedevano velocità ridotte. Situazione incompatibile con il processo di coalescenza di due buchi neri, in cui gli oggetti considerati si muovono a circa la metà della velocità della luce. C’era quindi bisogno di un’idea in grado di rendere l’approccio analitico utilizzabile per la definizione della forma delle onde gravitazionali. Sono queste le motivazioni all’origine del metodo individuato da Buonanno e Damour, il cosiddetto effective one-body approach, che è valso ai due la Galileo Galilei Medal.
[as]: Come è nato il l’effective one-body approach e quali aspetti del processo di coalescenza di due buchi neri è in grado descrivere?
[N]: L’intuizione alla base del formalismo attinge a una ricerca risalente agli anni settanta in cui veniva studiato un sistema quantistico composto da un elettrone e un positrone, due particelle di massa uguale, analogo alla situazione che coinvolge due buchi neri. E l’idea di fondo è di trasformare il moto dei due corpi reali, di massa uguale o comparabile, in un problema fittizio, dove uno dei corpi ha grande massa, data dalla somma delle due masse, e il secondo corpo è puntiforme, la cui massa è data dal prodotto delle masse individuali diviso per la massa totale. Questo approccio concettuale esiste nella teoria newtoniana. Il merito dell’effective-one-body approach è stato poterlo applicare in relatività generale (ovvero in teoria post-newtoniana) con l’obiettivo di utilizzare le informazioni analitiche a disposizione anche quando i corpi sono vicini e di estendere il più possibile la loro capacità di descrivere la coalescenza di due buchi neri in attesa dei risultati della relatività numerica. Un ulteriore fattore che rende il formalismo di Buonanno e Damour vincente e decisamente importante è il fatto che esso riesca a rendere conto anche dell’informazione riguardante il comportamento di una particella che si muove intorno a un buco nero prima di oltrepassare il suo orizzonte degli eventi. Problema ben noto in relatività generale, che consente di estendere la validità dell’effective one-body approach anche in campo forte, offrendo l’opportunità di studiare le dinamiche e le onde generate da due buchi neri in procinto di fondersi. L’ultimo aspetto fondamentale del formalismo è tuttavia quello che gli permette di prevedere la forma della coda dell’onda gravitazionale, quella emessa dal cosiddetto ringdown del buco nero, l’oscillazione del corpo prodotto al termine del processo di coalescenza. Per rendere possibile ciò, in assenza dei risultati della relatività numerica, Buonanno e Damour hanno affrontato il problema assumendo che il ringdown fosse il risultato della somma delle frequenze di oscillazioni possibili del buco nero finale, parametri già all’epoca noti e che dipendono dalla massa e dalla rotazione di quest’ultimo.
[as]: Come sono stati accolti questi due importanti risultati dalla vostra comunità?
[N]: Se i risultati di Pretorius, come ho già anticipato, erano in qualche modo attesi, nonostante il lungo tempo trascorso prima di essere ottenuti, l’approccio proposto da Alessandra Buonanno e Thibault Damour non ha ricevuto una buona accoglienza, poiché, fino ai primi anni duemila, l’idea condivisa da tutta le comunità, e sostenuta da un personaggio di spicco come Kip Thorne, padre degli interferometri Ligo, era che un metodo analitico non avrebbe mai potuto fornire delle risposte in campo forte. L’effective one-body approach, era quindi sostenuto unicamente dai suoi due ideatori. La situazione si è però ribaltata quando Pretorius, attraverso le sue simulazioni, ha fornito la prova della sua correttezza. Per questo motivo l’assegnazione della Galielo Medal è più che meritata, perché nel momento in cui la relatività analitica ha finalmente fornito una soluzione corretta per il problema della forma d’onda emessa da una coalescenza di buchi neri, il confronto tra questa e le previsioni di Buonanno e Damour dimostravano un errore di appena il 10 per cento. Un risultato davvero incredibile che evidenziava la validità del sistema analitico, il quale era necessariamente approssimato. L’introduzione di un nuovo strumento capace di descrivere le onde gravitazionali, più semplice e meno dispendioso da utilizzare rispetto all’analisi numerica, ma complementato da quest’ultima, ha perciò consentito di generare le decine di milioni di forme d’onda indispensabili per lo studio del segnale misurato dagli interferometri. Un compito questo che ancora oggi non può essere condotto mediante le sole simulazioni numeriche.
Alla luce della sua lunga collaborazione con Damour e del contributo che ha fornito nell’estendere la capacità descrittiva dell’effective one-body approach, può raccontarci quali sono state le vostre reazioni dopo l’annuncio del 2016 da parte della collaborazione Ligo-Virgo?
[N]: A differenza di Alessandra Buonanno, che aveva iniziato a collaborare con la collaborazione Ligo e che era quindi a conoscenza del segnale osservato dagli interferometri, nel 2015 Damour ed io eravamo all’oscuro di tutto, pur continuando a lavorare assiduamente sul formalismo e sull’ampliamento dei fattori che quest’ultimo era in grado di prevedere, come le forze di marea che agiscono nel processo di fusione di due stelle di neutroni, in un clima che all’epoca era di aperta rivalità con altri gruppi ricerca. La notizia, di cui Damour aveva ricevuto un’anticipazione da un collega relativa alle masse dei corpi coinvolti nell’evento osservato, ci ha quindi colti alla sprovvista e ci ha costretti a elaborare del materiale informativo per la comunicazione sulla base delle poche informazioni rilasciate con l’annuncio da parte della collaborazione Ligo. La scoperta ha sicuramente rappresentato il successo non solo delle infrastrutture ideate a questo scopo, ma anche dell’effective one-body approach, e ha quindi gratificato sia me che Damour, che ancora una volta ha visto riconosciuto il suo ruolo di pioniere nel campo della fisica teorica delle onde gravitazionali. Tuttavia, conoscendo il suo carattere e avendo avuto modo osservare le sue reazioni, la soddisfazione è stata presto soppiantata del desiderio e dalla necessità di tornare al lavoro per spingersi oltre i risultati raggiunti. Un atteggiamento che si fonda su quella propensione tesa ad ampliare le conoscenze nel proprio ambito di ricerca che contraddistingue tutti i grandi scienziati e che è sicuramente presente in Damour, il quale è in grado di trasmettere questa dedizione anche ai suoi collaboratori. [Matteo Massicci]
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