Il 14 settembre 2015 la scienza ha vissuto un momento storico: per la prima volta furono rilevate direttamente le onde gravitazionali, le increspature dello spazio-tempo previste da Albert Einstein un secolo prima. Quel segnale, GW150914, generato dalla fusione di due buchi neri a 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra, raggiunse i rivelatori gemelli LIGO negli Stati Uniti dopo un viaggio cosmico di 1,3 miliardi di anni. L'annuncio arrivò solo nel febbraio 2016, dopo mesi di analisi e verifiche, aprendo una nuova era per l'astrofisica e portando al Nobel per la Fisica del 2017 a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne.

A dieci anni di distanza, i tre grandi interferometri LIGO (USA), Virgo (Italia) e KAGRA (Giappone) lavorano in rete e intercettano in media una fusione di buchi neri ogni tre giorni. Dal 2015 a oggi il network LVK (LIGO–Virgo–KAGRA) ha osservato circa 300 eventi, con oltre 230 candidati registrati solo nel quarto ciclo osservativo, iniziato a giugno 2023. Il salto in avanti è dovuto a continui miglioramenti tecnologici, molti dei quali basati su tecniche di ingegneria quantistica di frontiera: questi strumenti sono talmente sensibili da misurare variazioni di spazio-tempo inferiori a un decimillesimo della dimensione di un protone.

GW250114: il segnale più nitido di sempre
La dimostrazione della nuova sensibilità è arrivata con GW250114, una fusione di buchi neri captata il 14 gennaio 2025. L'evento ricorda da vicino il primo segnale del 2015, ma la qualità dei dati è incomparabile: le interferenze strumentali sono state ridotte al punto da permettere analisi molto più raffinate.
“Possiamo sentirlo forte e chiaro, e questo ci permette di testare le leggi fondamentali della fisica”, ha dichiarato Katerina Chatziioannou, fisica del Caltech e membro di LIGO, coautrice dello studio pubblicato su Physical Review Letters.

L'analisi di GW250114 ha offerto la conferma sperimentale più solida mai ottenuta del teorema dell'area dei buchi neri proposto da Stephen Hawking nel 1971: la superficie totale di un buco nero non può mai diminuire. I due buchi neri iniziali avevano insieme un'area di circa 240.000 km² (quanto il Regno Unito), mentre l'oggetto finale ne misura 400.000 km² (quasi la Svezia). Il livello di confidenza statistica raggiunto – 99,999% – non lascia spazio a dubbi.

Il segnale ha permesso anche di studiare la fase di ringdown, in cui il buco nero risultante vibra come una campana colpita. Per la prima volta sono stati identificati due distinti “modi” di oscillazione gravitazionale, previsti dalla teoria ma mai osservati con chiarezza prima. Un secondo studio, sempre pubblicato su Physical Review Letters, ha inoltre posto vincoli molto rigorosi su possibili deviazioni dalla relatività generale.

“Se Hawking fosse vivo, sarebbe entusiasta di vedere che i dati mostrano davvero un aumento dell'area dei buchi neri dopo la fusione”, ha commentato Kip Thorne.

Oltre i buchi neri: stelle di neutroni e kilonovae
Non solo buchi neri. Nel 2017 LIGO e Virgo hanno catturato la fusione di due stelle di neutroni, un evento che ha sprigionato onde gravitazionali, lampi gamma e onde radio, inaugurando l'era dell'astronomia multi-messaggero. Fu in quell'occasione che telescopi di tutto il mondo osservarono la nascita di una kilonova e la formazione di elementi pesanti come oro e platino. La ricerca di nuovi eventi simili resta una priorità assoluta, con la rete LVK al centro di un sistema globale di allerta per telescopi terrestri e spaziali.

Il futuro: Einstein Telescope, Cosmic Explorer e LISA
Il prossimo passo sarà ancora più ambizioso. In Europa è in fase di progettazione l'Einstein Telescope, un interferometro sotterraneo con bracci da 10 km. Negli Stati Uniti il progetto Cosmic Explorer prevede strutture simili ma con bracci da 40 km. Nel frattempo, l'Agenzia Spaziale Europea e la NASA stanno collaborando alla missione spaziale LISA, un osservatorio orbitante che permetterà di captare segnali ancora più remoti, fino a quelli risalenti ai primissimi istanti dopo il Big Bang.

“Questa è una vera rivoluzione nella nostra comprensione dell'universo oscuro”, afferma Massimo Carpinelli, direttore dell'Osservatorio Gravitazionale Europeo di Cascina. “La prossima generazione di rivelatori ci porterà ancora più lontano nello spazio e nel tempo, ma solo grazie a una collaborazione globale sempre più stretta”.

La collaborazione LIGO-Virgo-KAGRA

LIGO è finanziato dalla NSF e gestito da Caltech e MIT, che hanno ideato e realizzato il progetto. Il sostegno finanziario al progetto Advanced LIGO è stato guidato dalla NSF, con significativo impegno e contributi da parte di Germania (Max Planck Society), Regno Unito (Science and Technology Facilities Council) e Australia (Australian Research Council). Oltre 1.600 scienziati di tutto il mondo partecipano al progetto attraverso la LIGO Scientific Collaboration, che include la GEO Collaboration. Altri partner sono elencati sul sito https://my.ligo.org/census.php .

La Collaborazione Virgo è attualmente composta da circa 1.000 membri provenienti da 175 istituzioni di 20 paesi diversi (principalmente europei). L'Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO) ospita il rivelatore Virgo vicino a Pisa ed è finanziato dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia, dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia, dall'Istituto Nazionale di Fisica Subatomica (Nikhef) nei Paesi Bassi, dalla Fondazione per la Ricerca delle Fiandre (FWO) e dal Fondo Belga per la Ricerca Scientifica (F.R.S.-FNRS). Un elenco dei gruppi della Collaborazione Virgo è disponibile all'indirizzo: https://www.virgo- gw.eu/about/scientific-collaboration/ . Ulteriori informazioni sono disponibili sul sito web di Virgo: https://www.virgo-gw.eu .

KAGRA è un interferometro laser con bracci di 3 km a Kamioka, Gifu, Giappone. L'istituto ospitante è l'Istituto per la Ricerca sui Raggi Cosmici (ICRR) dell'Università di Tokyo, e il progetto è co-ospitato dall'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone (NAOJ) e dall'Organizzazione per la Ricerca sugli Acceleratori ad Alta Energia (KEK). La collaborazione KAGRA è composta da oltre 400 membri provenienti da 128 istituti di 17 Paesi/regioni. Le informazioni sul KAGRA per il pubblico generale sono disponibili sul sito web https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Le risorse per i ricercatori sono accessibili da http://gwwiki.icrr.u-okyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.