Via libera a Lisa per catturare il suono dell’Universo

Il Comitato per il programma scientifico dell'Esa ha approvato oggi la missione Laser Interferometer Space (Lisa), il primo sforzo scientifico per rilevare e studiare le onde gravitazionali dallo spazio. Questo importante passo, formalmente chiamato ‘adozione’, riconosce che il concetto e la tecnologia della missione sono sufficientemente avanzati e dà il via libera alla missione con la costruzione degli strumenti e del veicolo spaziale. Il lavoro inizierà nel gennaio 2025, una volta scelto un contraente industriale europeo.
Lisa non è un solo veicolo spaziale, ma una costellazione di tre. Essi seguiranno la Terra nella sua orbita intorno al Sole, formando nello spazio un triangolo equilatero di straordinaria precisione. Ogni lato del triangolo sarà lungo 2,5 milioni di km (più di sei volte la distanza Terra-Luna), e gli spacecraft si scambieranno raggi laser su questa distanza. Il lancio delle tre sonde è previsto per il 2035, a bordo di un razzo Ariane 6.
Guidata dall'Esa, la missione Lisa è resa possibile da una collaborazione tra l'Esa, la Nasa, le agenzie spaziali nazionali europee e un consorzio internazionale di scienziati (il consorzio Lisa).

Il contributo dell’Italia e dell’Università di Trento

Tramite l’Agenzia spaziale italiana, l’Italia fornisce alla missione il gravitational reference system (Grs) e in particolare le masse di riferimento geodetico, che definiscono con grande precisione lo spaziotempo per Lisa. Il contributo italiano all’hardware di Lisa è stato sviluppato sotto la responsabilità scientifica del Laboratorio di gravitazione sperimentale dell'Università di Trento e del Tifpa/Infn e con il partner industriale Ohb di Milano.
«Con le masse in caduta libera curiamo il sistema più importante per la scienza di Lisa alle basse frequenze e quindi, speriamo, per le prime osservazioni delle onde gravitazionali prodotte dai buchi neri massicci al centro delle galassie» commenta William Joseph Weber, del Dipartimento di Fisica (Laboratorio di gravitazione sperimentale) dell’Università di Trento e del Tifpa/Infn, responsabile scientifico del contributo italiano all’hardware della missione. Weber coordina il team di ricerca dell’ateneo trentino composto anche da Rita Dolesi del Dipartimento di Fisica e Daniele Bortoluzzi del Dipartimento di Ingegneria industriale.
L'adozione di Lisa è il frutto di oltre due decenni di sviluppo in Italia sul sistema di masse in caduta libera, resi possibili dalla collaborazione fra Asi, industria, università e l’Infn. Punto di partenza è stato soprattutto il successo della missione Lisa Pathfinder che ha dimostrato il GRS e gran parte della metrologia per Lisa e che è stata guidata dall’ateneo trentino con il principal investigator Stefano Vitale.

Dare il ‘sonoro’ al film cosmico

Poco più di un secolo fa, Einstein fece una previsione rivoluzionari: quando le masse accelerano, scuotono il tessuto dello spaziotempo, producendo minuscole increspature conosciute come onde gravitazionali. Grazie ai moderni sviluppi tecnologici, oggi siamo in grado di rilevare questi segnali più sfuggenti.
«Lisa è un'impresa mai tentata prima. Utilizzando raggi laser a distanze di decine di chilometri, la strumentazione a terra è in grado di rilevare le onde gravitazionali provenienti da eventi che coinvolgono oggetti di dimensioni stellari, come esplosioni di supernove o fusioni di stelle iperdense e buchi neri di massa stellare. Per espandere la frontiera degli studi gravitazionali, dobbiamo però andare nello spazio» spiega Nora Lützgendorf, responsabile del progetto Lisa.
«Grazie all'enorme distanza percorsa dai segnali laser di Lisa e alla eccezionale stabilità della sua strumentazione, potremo sondare le onde gravitazionali a frequenze più basse di quanto sia possibile sulla Terra, scoprendo eventi di scala diversa, fino all'alba dei tempi».
Lisa rileverà, in tutto l'Universo, le increspature dello spazio-tempo che si originano quando enormi buchi neri al centro delle galassie si scontrano. Ciò consentirà agli scienziati di risalire all'origine di questi mostruosi oggetti, di tracciare il percorso che li porta a essere milioni di volte più massicci del Sole e di stabilire il ruolo che svolgono nell'evoluzione delle galassie.
La missione è pronta a catturare il "suono" gravitazionale previsto per i momenti iniziali del nostro Universo e offrire uno sguardo diretto ai primissimi secondi dopo il Big Bang. Inoltre, poiché le onde gravitazionali contengono informazioni sulla distanza degli oggetti che le hanno emesse, Lisa aiuterà i ricercatori a misurare la variazione dell'espansione dell'Universo con un metro di misura diverso dalle tecniche utilizzate da Euclide e da altre indagini, convalidando i loro risultati.
«Se pensiamo che finora, con le nostre missioni astrofisiche, abbiamo osservato il cosmo come un film muto, catturare le increspature dello spazio-tempo con Lisa ci permetterà di sentirne la colonna sonora», aggiunge Rita Dolesi responsabile Infn per Lisa.
Più vicino a noi, nella nostra galassia, Lisa rileverà molte coppie di oggetti compatti in fusione, come nane bianche o stelle di neutroni e ci darà una visione unica delle fasi finali dell'evoluzione di questi sistemi. Individuando la loro posizione e le loro distanze, Lisa ci permetterà di capire meglio la struttura della galassia della Via Lattea, basandosi sui risultati della missione Gaia dell'Esa.
«Per secoli abbiamo studiato il nostro cosmo catturando la luce. Questo, unito alla rilevazione delle onde gravitazionali sta portando una dimensione completamente nuova alla nostra percezione dell'Universo», osserva Oliver Jennrich, scienziato del progetto Lisa.

Cubi d'oro e raggi laser

Per rilevare le onde gravitazionali, Lisa utilizzerà coppie di cubi solidi di oro-platino – le cosiddette masse di prova fornite dall'Italia – che sono poco più piccole dei cubi di Rubik e saranno in caduta libera dentro il Grs, a sua volta dentro la navicella spaziale.
Le onde gravitazionali provocheranno minuscoli cambiamenti nelle distanze tra le masse nei diversi veicoli spaziali e la missione seguirà queste variazioni utilizzando l'interferometria laser.
Questa tecnica prevede che i raggi laser vengano sparati da un veicolo spaziale all'altro. Il loro segnale viene poi sovrapposto per determinare le variazioni delle distanze delle masse fino a qualche miliardesimo di millimetro.
Il veicolo spaziale deve essere progettato in modo che nulla, oltre alla geometria dello spazio-tempo, influisca sul movimento delle masse in caduta libera.
Il GRS e le masse in caduta libera sono il contributo italiano e trentino alla metrologia di Lisa. Verificarne le prestazioni a Terra e poi in orbita è stato il lavoro del team di Trento e il passo fondamentale per il traguardo raggiunto oggi con l’adozione di Lisa.

Da un solido patrimonio a un futuro lavoro di squadra

Il veicolo spaziale segue le orme di Lisa Pathfinder, la missione che ha dimostrato che è possibile mantenere le masse di prova in caduta libera a un livello di precisione senza precedenti, un milionesimo di un miliardesimo della forza peso degli oggetti sulla Terra.
Lisa diventa quindi la seconda missione della Cosmic Vision 2015-2025 dell'Esa – dopo la missione JUICE che vede come protagonista il gruppo di Lorenzo Bruzzone – e si unirà alla flotta di osservatori cosmici dell'Esa per rispondere a due domande essenziali al centro del programma: quali sono le leggi fisiche fondamentali dell'Universo? E come ha avuto origine l'Universo e di cosa è fatto?
In questa ricerca, Lisa lavorerà insieme all'altra grande missione dell'Esa attualmente in fase di studio: NewAthena. Con una data di lancio prevista per il 2037, NewAthena sarà il più grande osservatorio a raggi x mai costruito.