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Alessandra Buonanno e Thibault Damour

Premio Balzan 2021 per gravità: aspetti fisici e astrofisici

Per il loro ruolo guida nella predizione dei segnali di onde gravitazionali prodotti quando oggetti molto compatti, come stelle di neutroni e buchi neri, spiraleggiano uno intorno all’altro, e infine si fondono in un unico oggetto. Il loro lavoro è stato fondamentale per la prima rilevazione delle onde gravitazionali, fornendo una conferma estremamente accurata della relatività generale come teoria della gravi-tazione. Ha inoltre permesso ai rilevatori LIGO e Virgo di promuovere un tipo di astronomia che utilizza le onde gravitazionali come nuovi e potenti messaggeri dell’universo.

La radiazione di tipo gravitazionale fornisce una nuova finestra di osserva-zione sull’universo, e i professori Alessandra Buonanno e Thibault Damour hanno sviluppato con successo nuovi metodi teorici per sfruttarne appieno le potenzialità scientifiche.

A cominciare dai tardi anni Novanta del secolo scorso, la loro ricerca si è concentrata sul problema della previsione delle forme delle onde gravitazionali prodotte da buchi neri che spiraleggiano o collidono per poi fondersi. Previsioni accurate sono essenziali per estrarre il minuscolo segnale di onde gravitazionali da un rumore molto più forte, e per ricavare le caratteristiche fisiche degli oggetti che si stanno fondendo. Bisogna calcolare un numero molto elevato di forme delle onde (corrispondenti a diverse masse, spin e parametri delle orbite) e confrontarlo con i dati, e pertanto calcoli accurati e rapidi sono fondamentali.

Alessandra Buonanno e Thibault Damour hanno concepito un nuovo e sofisticato formalismo (il cosiddetto effective-one-body, EOB, singolo corpo efficace) per risolvere analiticamente il problema dei due corpi in relatività generale, che permette di calcolare velocemente le forme delle onde. In quasi 20 anni di intenso lavoro con i loro studenti, allievi di post-dottorato e collaboratori, il metodo EOB è stato esteso e perfezionato in modo da includere frequenze armoniche di ordine superiore, precessione dello spin, ed effetti mareali: tutte queste estensioni sono fondamentali nella predizione di modelli di forme d’onde per le binarie asimmetriche e le binarie che includono le stelle di neutroni. Nell’ambito di un’ampia collaborazione di ricercatori impegnati in relatività numerica e analitica come pure in analisi dei dati, è stato possibile inserire nelle procedure di analisi dati dei rivelatori LIGO e Virgo una combinazione del metodo analitico EOB e delle simulazioni numeriche, che è stata fondamentale per la prima rilevazione e in particolare per l’interpretazione di onde gravitazionali prodotte dall’unione di due buchi neri e per le analisi di tutti i segnali di onde gravitazionali da allora osservati. Il metodo EOB di Buonanno-Damour ha inoltre giocato un ruolo guida nell’uso di questi dati per eseguire i primi test della relatività generale in un regime di gravità ultra-forte, confermando magnificamente la sua validità come teoria incredibilmente accurata della gravitazione.

Inoltre, la combinazione sinergica dei dati provenienti dagli interferometri LIGO e Virgo ha permesso di stabilire con precisione la posizione nel cielo delle sorgenti di onde gravitazionali. Ciò ha permesso di identificare una sorgente di onde gravitazionali con associati raggi-gamma, raggi-X, luce visibile e infrarossa, come la fusione di due stelle di neutroni, e di capire le implicazioni fisiche del particolare processo di fusione. Questo può essere considerato un punto di svolta della cosiddetta astronomia multi-messaggera. I progressi teorici iniziati da Buonanno e Damour saranno fondamentali anche nell’interpretazione dei dati di astronomia gravitazionale di precisione pro-venienti dall’interferometro spaziale LISA, come pure di quelli provenienti da future strutture sul terreno quali il Telescopio Einstein e l’Esploratore Cosmico, in cui la conoscenza accurata delle forme d’onda sarà la chiave per sfruttare appieno i dati osservati, costruendo così il futuro dell’astronomia.

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