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Individuare fenomeni quantistici attraverso rapporti di causa-effetto

Per comprendere la relazione quantistica fra due eventi, un team di ricercatori del QuantumLab della Sapienza ha sviluppato un nuovo metodo basato sulla misura della forza dei rapporti causa-effetto tra le variabili. La tecnica, eseguita sperimentalmente nei laboratori dell’Ateneo, potrà essere utilizzata per verificare il corretto funzionamento di nuove tecnologie quantistiche

Individuare fenomeni quantistici attraverso rapporti di causa-effetto: un nuovo su Science Advances

“Qual è il motivo?”, “Perché sta succedendo?” sono domande molto frequenti nella vita quotidiana, in cui spesso si è portarti a chiedersi la causa degli eventi che succedono, cercando motivi più o meno diretti o astratti. La strategia intuitivamente più efficace per capire se due eventi siano l’uno la causa dell’altro è verificare la loro correlazione, ovvero chiedersi: l’evento A succede sempre quando succede l’evento B? Come quando ogni volta che viene spinto un interruttore (evento A) si accende una lampadina (evento B). Tuttavia, questo processo, apparentemente così semplice e immediato, nasconde una grande insidia: quando due eventi sono correlati, possono sia essere la causa l’uno dell’altro ma possono anche essere influenzati da una causa comune, di cui spesso non si tiene conto. Per esempio, ogni anno, in estate, aumentano parallelamente il consumo di gelati e il numero di persone che soffrono di cali di pressione. Questi due eventi sono indubbiamente correlati, ma non sono l’uno la causa dell’altro. Avvengono simultaneamente solo perché hanno una causa comune: l’aumento delle temperature.

Comprendere se due eventi siano causati da un fattore comune o se siano direttamente collegati non è affatto semplice, per cui tali relazioni sono da sempre una sfida per gli scienziati. Secondo la fisica classica è possibile comprendere appieno la relazione causa-effetto tra due eventi effettuando una serie di opportune misurazioni. Molto più difficile è quando entrano in gioco effetti quantistici, perché i rapporti di causa-effetto tra un evento A e un evento B hanno conseguenze diverse se questi hanno una causa comune non classica. Tuttavia, la discrepanza tra predizioni classiche e quantistiche può tornare utile proprio per rilevare la presenza di fenomeni quantistici, come avviene nei cosiddetti test di Bell, effettuati per misurare le proprietà di particelle fisicamente separate ma correlate in maniera non classica.

fenomeni quantistici causa-effetto

Il gruppo QuantumLab (https://www.quantumlab.it/) della Sapienza Università di Roma ha presentato, in un lavoro recentemente pubblicato sulla rivista Science Advances, un metodo altamente innovativo che è basato sulla misura della forza dei rapporti causa-effetto tra due variabili. Lo studio è nato nell’ambito di una collaborazione internazionale dell’Ateneo romano con l’International Institute of Physics di Natal (Brasile), l’Università di Colonia (Germania) e l’Università di Gdansk (Polonia).

Il team di fisici, da tempo impegnato nello studio di questi fenomeni con l’obiettivo di creare tecniche per rilevare la presenza di fenomeni quantistici, è partito dal caso in cui un evento A è causa di un evento B e, in più, questi hanno una causa comune quantistica. In tale situazione, si può dimostrare che, per ottenere determinati effetti su B, c’è bisogno di un’influenza causale più debole da parte di A, rispetto al caso classico. Quindi, misurando la forza del rapporto causa-effetto tra A e B, è possibile capire se il processo che stiamo osservando è quantistico oppure puramente classico.

“La novità di questo approccio – afferma Iris Agresti della Sapienza – sta nel fatto che permette di individuare comportamenti quantistici del tutto nuovi, che non potevano essere individuati con le tecniche note finora”.

Per mostrare queste nuove tracce di fenomeni quantistici è stato riprodotto nei laboratori di ottica e informazione quantistica della Sapienza lo schema di rapporti causa-effetto menzionato (chiamato processo strumentale) su una piattaforma fotonica.

In dettaglio, nell’esperimento, gli eventi A e B erano i risultati di due misure su fotoni, mentre la causa comune era una sorgente di stati quantistici.

“Abbiamo generato coppie di fotoni entangled (cioè correlati quantisticamente) e abbiamo implementato il rapporto di causa-effetto tra le misure A e B, scegliendo la misura B in base al risultato di A” – spiega Fabio Sciarrino, coordinatore del gruppo. “Siccome i due fotoni da misurare vengono generati nello stesso istante, per avere il tempo di eseguire la misura A, abbiamo dovuto ritardare il fotone misurato in B tramite una fibra lunga più di 100 metri e abbiamo sfruttato un dispositivo elettro-ottico per cambiare la misura B in pochi nanosecondi”.

Questa tecnica che si basa sulla misura della forza dell’influenza causale tra due eventi per dimostrare la presenza di fenomeni quantistici, che è stata eseguita sperimentalmente dai ricercatori del QuantumLab, ha dei risvolti sia dal punto di vista applicativo, perché potrà essere utilizzata per verificare il corretto funzionamento di nuove tecnologie quantistiche, sia teorico, perché ha permesso di individuare nuove tipologie di comportamenti non classici.

Riferimenti:

Experimental test of quantum causal influences – Iris Agresti, Davide Poderini, Beatrice Polacchi, Nikolai Miklin, Mariami Gachechiladze, Alessia Suprano, Emanuele Polino, Giorgio Milani, Gonzalo Carvacho, Rafael Chaves and Fabio Sciarrino – Science Advances, Vol 8, Issue 8 https://doi.org/10.1126/sciadv.abm1515 

Testo e immagini dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

L’IMPATTO DEL PRECARIATO SUI PROGETTI DI VITA DEI GIOVANI IN EUROPA

Presentazione del volume “Social exclusion of youth in Europe”, pubblicato nel 2021, che raccoglie dati, statistiche ed esperienze dei giovani europei.

precariato giovani Europa
L’impatto del precariato sui progetti di vita dei giovani in Europa. Foto di Gerd Altmann

Mercoledì 16 febbraio 2022dalle 9 alle 13, in diretta streaming dal Campus Luigi Einaudi dell’Università di Torino, si tiene la presentazione del volume Social exclusion of youth in Europethe multifaceted consequences of labour market insecurity, a cura di Sonia Bertolini, docente di sociologia dei processi economici e del lavoro al Dipartimento di Culture, Politica e Società UniTo, Michael Gebel (Università di Bamberg), Vasiliki Deliyanni-Kouimtzis (Università di Salonicco) e Dirk Hofäcker (Università di Duisburg-Essen). Modera il giornalista Paolo Volpato.

Il volume raccoglie dati, statistiche ed esperienze dei giovani europei raccolti attraverso Horizon Except, il progetto che dal 2016 ha cercato risposte a una serie di interrogativi: Cosa significa diventare autonomi in un mondo precario? Come si vive la progettualità e il percorso del divenire adulti in questo contesto? Quali sono le conseguenze dell’insicurezza sul benessere e sulla scelta di uscire dalla famiglia di origine? Che ruolo ha il significato del lavoro, in questo processo, e come si declinano questi aspetti in paesi diversi, quando diverso è il mercato del lavoro, il sistema di welfare, la cultura?

Social exclusion of youth in Europe rende conto di un lavoro interdisciplinare, comparativo e multi-metodo, fatto di analisi e lettura delle dinamiche tra lavoro e progetti di vita che riguardano i giovani in Europa. Un’iniziativa che ha coinvolto 9 paesi (Bulgaria, Estonia, Germania, Grecia, Italia, Polonia, Svezia, Ucraina e Regno Unito), con 386 interviste e 117 fotografie in tema di “divenire adulti oggi”.

In alcuni paesi come Italia, Polonia e Bulgaria emerge una doppia esclusione dei giovani: si può parlare di una sorta di “insicurezza istituzionalizzata” per indicare quando la precarietà lavorativa produce una serie di esclusioni a catena, ad esempio dal sostegno al reddito (in Italia fino allo scorso anno) o dall’accesso al credito bancario, che in questo Paesi è impossibile da ottenere senza un contratto fisso o la garanzia dei genitori, indipendentemente dal reddito.

In Italia l’insicurezza istituzionalizzata riguarda numeri considerevoli, se pensiamo che il 30% della popolazione giovanile è disoccupata e il 50% ha un contratto precario. La ricerca mette in luce le conseguenze negative sul benessere psicosociale e sull’autonomia psicologica, economica e abitativa: far fronte a questa insicurezza è un compito arduo, perché le strategie individuali e sociali non sono sufficienti per contrastare un sistema fortemente strutturato sull’insicurezza.

I dati degli ultimi anni ci dicono che la pandemia da Covid-19 ha avuto conseguenze sproporzionate su giovani e donne. Questo libro, fornendo una fotografia articolata e comparata della situazione prepandemica, aiuta a comprendere su quali premesse e su quali meccanismi abbia trovato terreno fertile quest’ultima ondata di precarietà ed esclusione.

Il team italiano di Horizon Except all’Università di Torino è composto da Sonia BertoliniMagda BolzoniChiara GhislieriValentina GoglioAntonella MeoValentina MoisoRosy MusumeciRoberta Ricucci e Paola Torrioni.

Testo dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Torino

IDROGENO VERDE

Ecco i singoli atomi al lavoro durante la sua produzione elettrochimica

Individuata una via razionale per il design di catalizzatori di nuova generazione

Idrogeno verde
Idrogeno verde. A sinistra schema della metodica usata A destra immagine con risoluzione atomica del sistema Fe-Grafene

Lo scenario attualmente più accreditato per uno sviluppo basato su fonti energetiche rinnovabili è quello che viene indicato sotto il nome di hydrogen economy. Perché tale ambizioso obiettivo possa essere raggiunto, la soluzione passa attraverso una produzione sostenibile di idrogeno a partire dall’acqua attraverso un processo elettrochimico a basso costo. Questo idrogeno viene usualmente chiamato idrogeno verde per il basso impatto ambientale e per la virtualmente infinita disponibilità della materia prima qualora si riuscisse ad impiegare l’acqua degli oceani.

Tutto ciò necessita però di un’ottimizzazione dei catalizzatori indispensabili a rendere il processo elettrochimico economico ed efficiente. Attualmente i ricercatori del campo stanno studiando un percorso razionale che permetta l’ottimizzazione dei materiali catalitici atti a raggiungere tale obiettivo.

Il Surface Science and Catalysis Group (SSCG) del Dipartimento di Scienze Chimiche (DiSC) dell’Università di Padova diretto dal prof. Gaetano Granozzi, in collaborazione con il gruppo teorico dell’Università di Milano Bicocca diretto dalla prof.ssa Cristiana Di Valentin, ha raggiunto uno straordinario risultato che sarà di forte impatto per gli sviluppi futuri nel campo della produzione di idrogeno.

Con il titolo Operando visualization of the hydrogen evolution reaction with atomic scale precision at different metal-graphene interfaces è stata pubblicata sulla rivista «Nature Catalysis» la ricerca coordinata da Stefano Agnoli del Dipartimento di Scienze Chimiche dell’Università di Padova in cui, attraverso una strumentazione estremamente sofisticata (Electrochemical Scanning Tunneling Microscopy, EC-STM) sviluppata a Padova in collaborazione con il gruppo di elettrochimica dello stesso Dipartimento, sono stati visti con risoluzione atomica i singoli siti catalitici durante il processo elettrochimico di produzione dell’idrogeno (tale metodologia è usualmente indicata con il termine in operando). Il metodo EC-STM è stato applicato a sistemi catalitici innovativi basati su materiali bidimensionali a base di grafene e metalli non nobili, che rappresentano una strada alternativa ai materiali standard usati attualmente per la decomposizione elettrochimica dell’acqua richiedenti l’uso di metalli nobili di alto costo e scarsa reperibilità. La qualità dei dati ottenuti è senza precedenti ed è stata interpretata attraverso metodi di simulazione quantomeccanica all’avanguardia sviluppati all’Università di Milano Bicocca.

Stefano Agnoli

«Il presente studio ha reso possibile identificare con precisione atomica la presenza di siti catalitici e valutare direttamente in situ la loro capacità di produrre idrogeno. Questa combinazione davvero unica di risoluzione spaziale e quantificazione dell’attività elettrocatalitica – dice Stefano Agnoli coordinatore dello studio – consente di stabilire in modo estremamente accurato le relazioni che legano la struttura della materia alla reattività chimica e quindi fornisce le informazioni necessarie per costruire atomo dopo atomo catalizzatori ad altissima efficienza».

Gaetano Granozzi

«L’ottenimento di questi risultati – sottolinea Gaetano Granozzi – è stato reso possibile dalla lunga esperienza maturata dal SSCG dell’Università di Padova operante nel campo sin dal tempo della sua fondazione avvenuta nel 1990».

Cristiana Di Valentin

«Le metodologie e le risorse computazionali attualmente disponibili – sostiene Cristiana Di Valentin – rendono possibile la simulazione di sistemi molto vicini al campione reale sperimentale con straordinario beneficio per l’interpretazione delle osservazioni in termini di proprietà atomiche della materia e meccanismi di reazione».

Link alla ricerca: https://doi.org/ 10.1038/s41929-021-00682-2

Titolo: Operando visualization of the hydrogen evolution reaction with atomic scale precision at different metal-graphene interfaces – «Nature Catalysis» – 2021

Autori: Tomasz Kosmala,1,2 Anu Baby,3 Marco Lunardon,1Daniele Perilli,3 Hongsheng Liu,3 Christian Durante,1 Cristiana Di Valentin,3 Stefano Agnoli*1 and Gaetano Granozzi1

1 Dipartimento di Scienze Chimiche and INSTM Research Unit, Università degli Studi di Padova,

2 Institute of Experimental Physics, University of Wrocław, pl. M. Borna 9, 50-204 Wrocław, Poland

3 Dipartimento di Scienza Dei Materiali, Università degli Studi di Milano-Bicocca, Milano, Italy

Testo e foto dagli Uffici Stampa Università degli Studi di Padova e Università degli Studi di Milano-Bicocca

UNA NUOVA APP PER IL MONITORAGGIO PARTECIPATIVO DEI MAMMIFERI SELVATICI: MAMMALNET, LA SCIENZA A PORTATA DI TUTTI

Scaricando l’app e condividendo gli avvistamenti di mammiferi selvatici, i cittadini potranno interagire direttamente con scienziati ed esperti, comprendere la natura e  supportare attivamente la conservazione della biodiversità.MammalNet iMammalia

Venerdì 16 aprile, in diretta streaming sulla piattaforma ZOOM è stato presentato alla stampa MammalNet, il progetto promosso dall’Autorità Europea per la Sicurezza Alimentare (European Food Safety Authority, EFSA), e coordinato in Italia dalle Università di Torino e Sassari, che ha l’obiettivo di monitorare e conservare i mammiferi selvatici europei tramite il coinvolgimento dei cittadini e l’utilizzo di un’App specifica per Android e iPhone.

Con MammalNet naturalisti, ambientalisti, escursionisti, cacciatori e cittadini parteciperanno attivamente alla citizen science, attraverso la condivisione delle proprie osservazioni di mammiferi selvatici, e contribuiranno direttamente alla comprensione della natura e della biodiversità, attività fondamentale per coadiuvare le ricerche faunistiche di pubblico interesse. MammalNet offre diversi strumenti tecnologici che possono aiutare i cittadini, e con loro gli studiosi, a documentare la presenza di mammiferi nel loro habitat.

Il progetto mette a disposizione di tutti iMammalia, un’app gratuita disponibile per i dispositivi Android e iPhone, che permette di registrare e condividere avvistamenti di mammiferi o dei loro segni e tracce in modo semplice e veloce. L’app include inoltre guide per identificare le diverse specie e può memorizzare tutte le osservazioni in modo da fornire un registro dettagliato di tutti gli avvistamenti. Attraverso le informazioni caricate dagli utenti si potrà registrare quali specie siano presenti in un determinato territorio e avere una migliore percezione di quali specie invece potrebbero essere assenti. Queste informazioni sono importanti per comprendere e prevedere con precisione la distribuzione delle specie e verranno utilizzate per aiutare a creare il prossimo Atlante Europeo dei Mammiferi.

MammalNet iMammalia

Gli appassionati potranno anche contribuire con immagini acquisite mediante trappole fotografiche. Pur senza essere esperti, molti cittadini sono perfettamente in grado di distinguere alcune specie di mammiferi, come conigli, lepri, volpi. Per altre specie tuttavia hanno bisogno del confronto di un esperto. Grazie all’impiego degli strumenti messi a disposizione dal progetto questa interazione con studiosi ed esperti sarà semplice ed efficace. Tutte le registrazioni saranno inviate alla una piattaforma web https://european-mammals.brc.ac.uk/ alla quale si potrà accedere per visualizzare anche le osservazioni degli altri utenti per vedere, ad esempio, quali aree geografiche o specie non sono ancora state incluse.

Il Progetto MammalNet ha inoltre lo scopo di affrontare alcune delle sfide ambientali attuali come i cambiamenti climatici, la perdita di biodiversità, le zoonosi e le malattie emergenti legate alla fauna selvatica. I mammiferi selvatici influenzano anche la trasmissione di malattie che colpiscono il bestiame e gli esseri umani. Una buona comprensione della distribuzione dei mammiferi può aiutare a prendere decisioni basate su dati oggettivi, con l’obiettivo di ridurre il rischio di trasmissione.

MammalNet iMammalia

“A molti cittadini capita di osservare i mammiferi selvatici che vivono intorno a loro. L’avvistamento di una volpe in movimento o di un capriolo su un prato, o il riconoscimento di un animale investito sono preziose fonti di informazione per i ricercatori, e possono essere facilmente condivise usando iMammalia” dichiara Ezio Ferroglio, docente del Dipartimento di Scienze Veterinarie dell’Università di Torino e partner del progetto.

MammalNet iMammalia

“Le trappole fotografiche ci forniscono informazioni essenziali su dove e come vivono i mammiferi. Possono essere messe anche nel proprio giardino. È stupefacente vedere cosa sono in grado di fotografare. Se non si ha esperienza, si possono condividere le immagini ottenute e lasciarle classificare agli esperti; pian piano si può imparare  a riconoscere gli animali che ci circondano”, sostiene Massimo Scandura, professore dell’Università di Sassari, anche lui partner di MammalNet.

Durante la prima fase del progetto, i paesi coinvolti sono stati Spagna, Germania, Polonia e Croazia. Ora, nella seconda fase, nuovi Paesi si sono aggiunti tra cui l’Italia. MammalNet è un’opportunità per tutti per contribuire attivamente alla conservazione dei mammiferi, semplicemente limitandosi ad osservarli o a rilevarne la presenza attraverso i loro segni.

 

 

Testo e foto dall’Ufficio Stampa dell’Università degli Studi di Torino

Onde gravitazionali: le nuove sensazionali scoperte del team internazionale di ricercatori Virgo e LIGO 

Il ruolo degli scienziati UNIPG  

onde gravitazionali Virgo LIGO
Helios Vocca e Roberto Rettori


Si è svolta oggi presso il Rettorato dell’Università degli Studi di Perugia la conferenza stampa di presentazione ai giornalisti umbri delle nuove, sensazionali scoperte scientifiche realizzate dai ricercatori dei progetti Virgo e LIGO.

onde gravitazionali Virgo LIGO
Helios Vocca e Roberto Rettori

All’incontro con i giornalisti – realizzato in contemporanea con l’omologo evento internazionale che ha visto collegati i vari gruppi di ricerca in modalità streaming – erano presenti i professori Helios Vocca, Delegato del Rettore per il settore Ricerca, Valutazione e Fund-raising e Roberto Rettori, Delegato del Rettore per il settore Orientamento, Tutorato e Divulgazione scientifica, insieme a numerosi Delegati Rettorali e Direttori dei Dipartimenti dello Studium.

Onde gravitazionali Virgo LIGO

I ricercatori dei progetti Virgo e LIGO hanno annunciato l’osservazione della fusione di un sistema binario di massa straordinariamente grande: due buchi neri di 66 e 85 masse solari, hanno prodotto alla fine un buco nero di circa 142 masse solari. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo delle onde gravitazionali. Si trova in una regione di massa entro cui non è mai stato osservato prima un buco nero, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche, e potrebbe servire a spiegare la formazione dei buchi neri supermassicci. Inoltre, il componente più pesante del sistema binario iniziale si trova in un intervallo di massa proibito dalla teoria dell’evoluzione stellare e rappresenta una sfida per la nostra comprensione degli stadi finali della vita delle stelle massicce.

Helios Vocca

“Il risultato di oggi è per noi fonte di enorme soddisfazione – dichiara il professore Helios Vocca, responsabile del gruppo Virgo Perugia – perché si tratta di una nuova scoperta realizzata grazie ad un detector che è frutto anche del lavoro realizzato dal gruppo Virgo Perugia in trent’anni di attività: un impegno, quello del team perugino, che è stato ampiamente riconosciuto a livello internazionale e che ci vede coinvolti nel management sia del progetto Virgo, sia del nuovo esperimento  giapponese ‘Kagra’, guidato da Takaaki Kajita, premio Nobel per la Fisica nel 2015 e laureato honoris causa del nostro Ateneo. Del nostro gruppo, inoltre – aggiunge Vocca – fa parte anche il dottor Michele Punturo, della sezione INFN di Perugia, attualmente Principal Investigator dell’esperimento ‘Einstein Europe’, il futuro detector europeo per le onde gravitazionali.

Il team di Perugia possiede competenze uniche al mondo – spiega il professor Vocca – in particolare sulle sospensioni degli specchi degli interferometri. In virtù di questa altissima specializzazione, stiamo lavorando insieme ad altri colleghi di vari Paesi europei e giapponesi per creare un laboratorio internazionale proprio a Perugia o comunque in Umbria, al fine di sfruttare le ricadute tecnologiche dei rilevatori di onde gravitazionali in altri settori, quali ad esempio quello del rischio sismico, affinché le avanzatissime tecnologie utilizzate nello spazio servano al miglioramento della vita dei cittadini.

Il tutto, inoltre, – conclude il professor Helios Vocca – avrà un’importante valenza per i nostri studenti: stiamo infatti puntando a costruire, in questo ambito scientifico, un’offerta didattica innovativa interuniversitaria, ovvero corsi di laurea realizzati in partnership con altri Atenei del centro-Italia, per dar vita a una ‘scuola’ che sia davvero unica persino a livello internazionale”.

Roberto Rettori

“In questo periodo di emergenza, nel rispetto delle direttive ministeriali, l’Università degli Studi di Perugia non ha mai interrotto né l’attività didattica né quella di ricerca – ha sottolineato il professore Roberto Rettori -. L’esperimento Virgo, che per l’unità di Perugia è coordinato dal professor Helios Vocca del Dipartimento di Fisica e Geologia, ne è una chiara dimostrazione.

I risultati che i nostri eccellenti ricercatori ottengono in tutte le discipline, permettono al nostro Ateneo di crescere e sempre di più diventare un punto di riferimento in Italia e nel mondo, promuovendo quindi Perugia e il suo territorio. Attraverso le numerose iniziative di divulgazione della ricerca che stiamo organizzando in tutta la regione, l’Università degli Studi di Perugia esce dalle sue mura, arriva alla popolazione e diventa suo patrimonio da difendere e valorizzare. Ringrazio il Magnifico Rettore, Professore Maurizio Olivieroper il supporto costante che offre a tali iniziative nonché tutti i colleghi per il loro lavoro. L’Ateneo di Perugia è soprattutto il luogo accogliente della conoscenza dove i giovani possono realizzare le loro passioni e costruire il loro futuro”.

La Sala Dessau all’Università di Perugia

Perugia, 2 settembre 2020

 

Virgo e LIGO svelano nuove e inattese popolazioni di buchi neri

Helios Vocca e Roberto Rettori

Virgo e LIGO hanno annunciato l’osservazione della fusione di un sistema binario di massa straordinariamente grande: due buchi neri di 66 e 85 masse solari, hanno prodotto alla fine un buco nero di circa 142 masse solari. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo delle onde gravitazionali. Si trova in una regione di massa entro cui non è mai stato osservato prima un buco nero, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche, e potrebbe servire a spiegare la formazione dei buchi neri supermassicci. Inoltre, il componente più pesante del sistema binario iniziale si trova in un intervallo di massa proibito dalla teoria dell’evoluzione stellare e rappresenta una sfida per la nostra comprensione degli stadi finali della vita delle stelle massicce.

Gli scienziati delle collaborazioni internazionali che sviluppano e utilizzano i rivelatori Advanced Virgo presso lo European Gravitational Observatory (EGO) in Italia e i due Advanced LIGO negli Stati Uniti hanno annunciato l’osservazione di un buco nero di circa 142 masse solari, che è il risultato finale della fusione di due buchi neri di 66 e 85 masse solari. I componenti primari e il buco nero finale si trovano tutti in un intervallo di massa mai visto prima, né con onde gravitazionali né con osservazioni elettromagnetiche. Il buco nero finale è il più massiccio rivelato finora per mezzo di onde gravitazionali. L’evento di onda gravitazionale è stato osservato dai tre interferometri della rete globale il 21 maggio 2019. Il segnale (chiamato GW190521) è stato analizzato dagli scienziati, che stimano che la sorgente disti circa 17 miliardi di anni luce dalla Terra. Due articoli scientifici che riportano la scoperta e le sue implicazioni astrofisiche sono stati pubblicati oggi su Physical Review Letters e Astrophysical Journal Letters,
rispettivamente.

“Il segnale osservato il 21 maggio dello scorso anno è molto complesso e, dal momento che il sistema è così massiccio, lo abbiamo osservato per un tempo molto breve, circa 0.1 s”, dice Nelson Christensen, directeur de recherche CNRS presso ARTEMIS a Nizza in Francia e membro della Collaborazione Virgo. “Non assomiglia molto ad un sibilo che cresce rapidamente in frequenza, che è il tipo di segnale che osserviamo di solito: assomiglia piuttosto ad uno scoppio, e corrisponde alla massa più alta mai osservata da LIGO e Virgo.” Effettivamente, l’analisi del segnale – basata su una potente combinazione di modernissimi modelli fisici e di metodi di calcolo – ha rivelato una gran quantità di informazione su diversi stadi di questa fusione davvero unica.

Questa scoperta è senza precedenti non solo perché stabilisce il record di massa tra tutte le osservazioni fatte finora da Virgo e LIGO ma anche perché possiede altre caratteristiche speciali. Un aspetto cruciale, che ha attratto in particolare l’attenzione degli astrofisici, è che il residuo finale appartiene alla classe dei cosiddetti “buchi neri di massa intermedia” (da cento a centomila masse solari). L’interesse verso questa popolazione di buchi neri è collegato ad uno degli enigmi più affascinanti e intriganti per astrofisici e cosmologi: l’origine dei buchi neri supermassicci. Questi mostri giganteschi, milioni di volte più pesanti del Sole e spesso al centro delle galassie, potrebbero essere il risultato della fusione di buchi neri di massa intermedia.

Fino ad oggi, pochissimi esempi di questa categoria sono stati identificati unicamente per mezzo di osservazioni elettromagnetiche, e il residuo finale di GW190521 è la prima osservazione di questo genere per mezzo di onde gravitazionali. Ed è di interesse ancora maggiore, visto che si trova nella regione tra 100 e 1000 masse solari, che ha rappresentato per molti anni una specie di “deserto dei buchi neri”, a causa della scarsità di osservazioni in questo intervallo di massa.

I componenti e la dinamica della fusione del sistema binario che ha prodotto GW190521 offrono spunti astrofisici straordinari. In particolare, il componente più massiccio rappresenta una sfida per i modelli astrofisici che descrivono il collasso in buchi neri delle stelle più pesanti, quando queste arrivano alla fine della loro vita. Secondo questi modelli, stelle molto massicce vengono completamente distrutte dall’esplosione di supernova, a causa di un processo chiamato “instabilità di coppia”, e si lasciano dietro solo gas e polveri cosmiche. Perciò gli astrofisici non si aspetterebbero di osservare alcun buco nero nell’intervallo di massa tra 60 e 120 masse solari: esattamente dove si trova il componente più massiccio di GW190521. Quindi, questa osservazione apre nuove prospettive nello studio delle stelle massicce e dei meccanismi di supernova.

“Parecchi scenari predicono la formazione di buchi neri nel cosiddetto intervallo di massa di instabilità di coppia: potrebbero risultare dalla fusione di buchi neri più piccoli o dalla collisione multipla di stelle massicce o addirittura da processi più esotici”, dice Michela Mapelli, professore presso l’Università di Padova, e membro dell’INFN Padova e della Collaborazione Virgo. “Comunque, è possibile che si debba ripensare la nostra attuale comprensione degli stadi finali della vita di una stella e i conseguenti vincoli di massa sulla formazione dei buchi neri. In ogni caso, GW190521 è un importante contributo allo studio della formazione dei buchi neri.”

Infatti, l’osservazione di GW190521 da parte di Virgo e LIGO porta la nostra attenzione sull’esistenza di popolazioni di buchi neri che non sono mai stati osservati prima o sono inattesi, e in tal modo solleva nuove intriganti domande sui meccanismi con cui si sono formati. A dispetto del segnale insolitamente breve, che limita la nostra capacità di dedurre le proprietà astrofisiche della sorgente, le analisi più avanzate e i modelli attualmente disponibili suggeriscono che i buchi neri iniziali avessero alti valori di spin, o in altre parole che avessero un’elevata velocità di rotazione.

“Il segnale mostra segni di precessione, una rotazione del piano orbitale prodotta da spin elevati e con un’orientazione particolare”, nota Tito Dal Canton, ricercatore del CNRS presso IJCLab ad Orsay, Francia, e membro della Collaborazione Virgo, “L’effetto è debole e non possiamo esserne certi del tutto, ma se fosse vero darebbe forza all’ipotesi che i buchi neri progenitori siano nati e vissuti in un ambiente cosmico molto dinamico e affollato, come un ammasso stellare denso o il disco di accrescimento di un nucleo galattico attivo.”

Parecchi scenari diversi sono compatibili con questi risultati e anche l’ipotesi che i progenitori della fusione possano essere buchi neri primordiali non è stata scartata dagli scienziati. Effettivamente, noi stimiamo che la fusione abbia avuto luogo 7 miliardi di anni fa, un tempo vicino alle epoche più
antiche dell’Universo.

Rispetto alle precedenti osservazioni di onde gravitazionali, il segnale di GW190521 è molto breve e più difficile da analizzare. La complessa natura di questo segnale ci ha spinto a considerare anche altre sorgenti più esotiche, e queste possibilità sono descritte in un altro articolo che accompagna quello della scoperta. La fusione di un sistema binario di buchi neri resta però l’ipotesi più
probabile.

“Le osservazioni portate avanti da Virgo e LIGO illuminano l’universo oscuro e definiscono un nuovo panorama cosmico”, dice Giovanni Losurdo, che guida Virgo ed è dirigente di ricerca presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italia, “E oggi, ancora una volta, annunciamo una scoperta senza precedenti. Continuiamo a migliorare i nostri strumenti per aumentare la loro performance e
per vedere sempre più a fondo nell’Universo.”

Informazioni aggiuntive sugli osservatori di onde gravitazionali:

La Collaborazione Virgo è composta attualmente da circa 580 membri provenienti da 109 istituzioni in 13 diversi paesi, che comprendono Belgio, Francia, Germania, Grecia, Irlanda, Italia, Olanda, Polonia, Portogallo, Spagna e Ungheria. Lo European Gravitational Observatory (EGO) che ospita il rivelatore Virgo si trova vicino a Pisa in Italia ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia, e dal Nikhef in Olanda. Una lista dei gruppi della Collaborazione Virgo è disponibile al link http://public.virgo-gw.eu/the-virgo-collaboration/ . Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web di Virgo http://www.virgo-gw.eu

.LIGO è finanziato dalla National Science Foundation (NSF) e la sua operatività dipende da Caltech e MIT, che hanno concepito e guidato il progetto. Il sostegno finanziario per il progetto Advanced LIGO è venuto dall’NSF, con significativi impegni e contributi da parte tedesca (Max Planck Society), inglese (Science and Technology Facilities Council) e australiana (Australian Research Council-OzGrav). Circa 1300 scienziati di tutto il mondo partecipano all’impresa scientifica della Collaborazione LIGO, che include anche la Collaborazione GEO. Una lista di altri partners è disponibile al link https://my.ligo.org/census.php
.

I RICERCATORI DI PERUGIA A CACCIA DELLE ONDE GRAVITAZIONALI

Un’esperienza ventennale nella descrizione teorica e nello sviluppo di tecnologie per osservare le onde gravitazionali che ha condotto anche a ricadute tecnologiche nel campo delle energie rinnovabili.

onde gravitazionali Virgo LIGO
Helios Vocca e Roberto Rettori

Il gruppo di scienziati di Perugia che lavora all’esperimento Virgo per la rivelazione e lo studio di onde gravitazionali fa parte del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia e della Sezione di Perugia dell’INFN e da circa trent’anni si occupa de i rivelatori delle Onde Gravitazionali. Il gruppo si occupa per lo più di elabora re modelli teorici e tecniche sperimentali per studiare la dinamica dei sistemi fisici non lineari e in particolare p er lo studio del rumore. Si tratta cioè di conoscere le caratteristiche e saper limitare o utilizzare in modo efficiente tutte qu elle vibrazioni che popolano i fenomeni naturali, dalle vibrazioni delle molecole e degli atomi dovute alla temperatura alle vibrazioni macroscopiche che potrebbero disturbare la rivelazione dei segnali che arrivano dal cosmo e che l’esperimento Virgo rivela. Oltre a questo negli ultimi anni ha acquisito competenze di ottica quantistica, di data analisi e modelli stica della Relatività Generale per sistemi compatti.

Il gruppo di ricerca perugino attivo nell’esperimento Virgo è coordinato dal Prof. Helios Vocca (attualmente nel Management Team sia dell’esperimento europeo Virgo che dell’esperimento giapponese Kagra). Sono nel complesso 12, tra scienziati e tecnici, le persone del Dipartimento di Fisica e della Sezione di Perugia dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che costituiscono il team coinvolto nell’osservazione e nell’analisi dei dati raccolti sulle onde gravitazionali; fra loro anche il Dott. Michele Punturo responsabile del gruppo di ricerca astroparticellare per la sezione INFN di Perugia e attualmente Principal Investigato dell’esperimento Einstein Telescope, futuro detector europeo per le Onde Gravitazionali.

Le abilità acquisite dal team perugino nello studio delle vibrazioni, da quelle microscopiche a quelle più grandi, ha consentito di apportare un contributo essenziale ai metodi utilizzati per istallare gli specchi e il complesso dei sistemi ottici, cuore dello strumento per l’osservazione delle onde gravitazionali: l’interferometro Virgo. Il rivelatore Virgo istallato a Cascina, nelle campagne poco fuori Pisa, è costituito da due lunghi tubi di tre chilometri l’uno, disposti perpendicolarmente tra loro a formare una elle. All’interno di questi tubi si fa il vuoto e viene fatto correre un raggio laser avanti e indietro attraverso un sistema di specchi. È proprio lo spostamento degli specchi al passaggio dell’onda gravitazionale che ne rileva la presenza. Di conseguenza è cruciale la realizzazione di queste parti dell’apparato. Attraverso una conoscenza accurata del rumore termico, ovvero delle vibrazioni degli atomi e delle molecole che costituisco i materiati di cui sono fatte le parti del rivelatore Virgo, il gruppo di Perugia ha fatto sì che il segnale delle onde gravitazionali non si confondesse con altri disturbi provenienti dall’ambiente. Il gruppo di Perugia si è occupato, sin dalla nascita del progetto Virgo, dello sviluppo del sistema per sospendere gli specchi all’interno delle torri dell’esperimento. Tale sistema è unico perché consente allo specchio di poter oscillare dissipando pochissima energia e quindi rendendolo estremamente sensibile alla rivelazione dei segnali gravitazionali. Il pendolo è costituito da sottilissimi fili prima di acciaio, ora di un particolare vetro: il quarzo fuso. Insieme ai fili è stato ideato e realizzato un sistema originale di ancoraggio degli specchi attraverso tecniche innovative d’incollaggio delle componenti del rivelatore sviluppate tra i laboratori di Perugia e quelli di Glasgow. Queste tecnologie sono alla base dell’aumento di sensibilità che caratterizza il cosiddetto Advanded Virgo.

Le abilità tecniche e le conoscenze teoriche acquisite in questi trent’anni dai fisici dell’Università di Perugia, coinvolti nel progetto Virgo, ha consentito al gruppo di entrare da protagonista anche nell’esperimento giapponese, Kagra (esperimento guidato da una vecchia conoscenza dell’Ateneo perugino, il Prof. Takaaki Kajita premio Nobel in Fisica nel 2015, al quale nel 2017 è stata riconosciuta la laurea Honoris Causa) trasferendo le proprie competenze alla collaborazione asiatica per la realizzazione delle sospensioni criogeniche in zaffiro delle ottiche del rivelatore.

 

 

Testi e foto dall’Ufficio Stampa Università di Perugia