Supereremo con l’IA le correnti gravitazionali. “Universo senza segreti”

Due buchi neri che si scontrano fanno molto rumore. Ma se la collisione avviene a miliardi di anni luce, percepirla dalla Terra è difficile. Gli astrofisici hanno imparato a captare le vibrazioni provocate da questi cataclismi, che con la loro violenza scuotono come una campana l’impalcatura dello spazio tempo e si propagano nell’universo sotto forma di onde chiamate gravitazionali, ma con molta difficoltà. Oggi in loro aiuto arriva l’intelligenza artificiale.

Teorizzate da Einstein nel 1915, le onde gravitazionali sono state osservate per la prima volta dieci anni fa, il 14 settembre 2015, e sono state premiate con un Nobel nel 2017. Si manifestano alterando le dimensioni della Terra in maniera quasi impercettibile. Per captarle servono antenne chiamate interferometri, capaci di registrare distorsioni della forma del pianeta infinitesime: diecimila volte più piccole del diametro di un protone. Per descriverle esistono frazioni come 10 alla meno 18, ma non unità di misura di uso comune.

Per migliorare l’acume di questi strumenti il Gran Sasso Science Institute (Gssi), il Caltech californiano e Google DeepMind hanno messo a punto un nuovo programma di machine learning, descritto ieri dalla rivista Science.

Prendiamo l’interferometro italiano Virgo, che si trova a Cascina in provincia di Pisa ed è gestito dall’Osservatorio Gravitazionale Europeo (Ego), di cui fanno parte l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e il francese Cnrs.

E’ formato da due lunghi tubi: due bracci a croce lunghi 3 chilometri. Alle estremità di ogni braccio si trova uno specchio. Un raggio laser rimbalza in continuazione tra gli specchi. Il passaggio di un’onda gravitazionale, causando uno svergolamento dei bracci, fa sì che gli specchi si allontanino e il laser se ne accorga. E’ uno spostamento infinitesimo, ma il segnale che qualcosa di grosso è avvenuto in qualche angolo dell’universo.

Già così sarebbe sufficientemente complicato. Basta poi un lieve tremore sismico accanto a un interferometro, le vibrazioni di un treno, di un’auto in lontananza o – un problema che si è rivelato più serio del previsto – il continuo frangersi delle onde (quelle del mare) sulle coste, anche a centinaia di chilometri di distanza, per mandare a monte la precisione estrema di questo sistema.

Gli specchi sono sospesi su pendoli capaci di compensare le vibrazioni del terreno, ma solo entro certi limiti. Per raggiungere una stabilità ancora maggiore si è deciso così di arruolare l’intelligenza artificiale. Il software di Gssi, Caltech e Google DeepMind dopo quattro anni di addestramento ha imparato a controbilanciare ogni movimento esterno con un movimento dello specchio uguale e contrario. La stabilità già impressionante è migliorata di 30-100 volte. Lo ha dimostrato una serie di test sull’interferometro americano Ligo che si trova a Livingston, in Louisiana.

“Fino a oggi, in dieci anni, abbiamo osservato circa 300 fusioni di buchi neri. Il ritmo attuale è di un evento ogni tre giorni” spiega Gianluca Gemme, dirigente di ricerca dell’Infn, coordinatore degli scienziati di Virgo (oltre mille da 20 paesi). “Il rumore di fondo delle vibrazioni del suolo ci limita molto. Riusciamo a captare collisioni fra buchi neri grandi fino a qualche centinaio di volte la massa del Sole. Quelli più massicci invece ci sfuggono. Avere un sistema che stabilizza gli specchi è come indossare un paio di occhiali che rendono più acuta la nostra visione dell’universo”.

Il nuovo sistema di intelligenza artificiale, con il suo contributo italiano, potrebbe aiutare poi il nostro paese in una missione assai più mondana. Il successore di Ligo, Virgo e del terzo interferometro in funzione, il giapponese Kagra, potrebbe infatti sorgere in Sardegna. La candidatura del sito di Sos Enattos per l’Einstein Telescope è sostenuta dall’Infn da punto di vista scientifico, dal governo che ha impegnato 950 milioni attraverso il ministero della Ricerca e dalla Regione Sardegna che ne ha impegnati altri 350.

L’anno prossimo dall’Europa potrebbe arrivare la decisione, con Olanda e forse Germania come altri candidati. Nel 2017 Ligo e Virgo hanno osservato un altro fenomeno estremo del cosmo: la fusione di due stelle di neutroni. Si tratta di alcuni fra gli oggetti più densi dell’universo. Nelle dimensioni di poche decine di chilometri, pari a una grande città, contengono la massa di uno o due Soli. Nelle loro esplosioni si ritiene che si formino metalli pesanti come oro e platino.

“Ci saremmo aspettati di osservare più fusioni di questo tipo” commenta Gemme. “Speriamo, con specchi più stabili, di captarne di più”. La stima è che il machine learning permetta di visualizzare alcune centinaia di eventi in più ogni anno, moltiplicando gli allarmi che suonano sui cellulari degli scienziati ogni volta che passa un’onda gravitazionale. “Avvertiamo subito anche tutti i telescopi del mondo. Così possono subito puntare i loro strumenti sulla sorgente dell’onda”.