Scopri i Segreti dell'Universo con il Laboratorio Analisi Cosmologiche in Italia!

Questo settore di ricerca vuole indagare la natura fisica delle strutture cosmiche a diverse scale, da quella stellare a quella extragalattica e cosmologica da un punto di vista sia osservativo che teorico e statistico. L'attività osservativa copre l'intero spettro elettromagnetico dal radio all'infrarosso, dall'ottico fino alle energie più elevate (raggi X e gamma). A questo scopo il nostro gruppo ha accesso alla strumentazione più moderna, sia da terra (telescopi ottici della classe 10m) che dallo spazio (satelliti per la banda X, ottica/infrarossa, radio e microonde.

L'accesso diretto ad una grande mole di dati, spesso ottenuti grazie a proposte di osservazione del nostro gruppo, sostiene e stimola una ricerca teorica di punta, volta allo sviluppo di modelli per l'interpretazione dei dati osservativi e di complesse simulazioni numeriche. In particolare, le linee di ricerca attive coprono l'astrofisica stellare (fasi avanzate dell'evoluzione di stelle di piccola massa), l'astrofisica delle stelle di neutroni e dei buchi neri (proprietà dei mezzi ultra-magnetizzati, polarizzazione della radiazione in relatività generale) e la cosmologia (studio dell’Universo nel suo insieme, delle sue fasi primordiali, del CMB e della sua evoluzione fino ad oggi). Una sempre maggiore importanza riveste lo studio delle onde gravitazionali (p.es.

Il Principio Cosmologico e il Lensing Gravitazionale Debole

Trieste, 11 febbraio 2025 - Un nuovo studio pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) illustra una metodologia per mettere alla prova l’assunto di omogeneità e isotropia dell’universo, noto come Principio Cosmologico, sfruttando il fenomeno fisico della lente gravitazionale nella sua forma debole - un effetto di distorsione della luce descritto dalla relatività generale - nelle immagini astronomiche raccolte da nuovi osservatori, come il telescopio spaziale Euclid.

“Vedo il Principio Cosmologico come una sorta di dichiarazione di umiltà estrema”, spiega James Adam, astrofisico presso l’Università del Western Cape, a Città del Capo, in Sudafrica, e primo autore del nuovo studio. Il Principio Cosmologico infatti sostiene che non solo non ci troviamo al centro dell’Universo, ma anche che un centro vero e proprio non esiste. Secondo lo stesso Principio inoltre l’Universo è anche isotropo, cioè privo di direzioni privilegiate.

Alcune osservazioni cosmologiche recenti suggeriscono che, su scale estremamente grandi, potrebbero infatti esistere delle anisotropie - variazioni nella struttura dell’Universo che mettono in discussione l’assunto di isotropia del principio cosmologico. Si tratta comunque di osservazioni ancora non conclusive: per escludere errori di misurazione, dovranno essere raccolti maggiori dati utilizzando altre metodologie indipendenti.

Il nuovo studio pubblicato su JCAP da Adam e colleghi nasce proprio per ampliare le osservazioni. Gli autori hanno sviluppato una metodologia per testare l’isotropia dell’Universo utilizzando osservazioni da strumenti come Euclid. “Abbiamo studiato un metodo alternativo per vincolare l’anisotropia che sfrutta il cosiddetto lensing gravitazionale debole”, spiega Adam.

Il lensing gravitazionale debole si verifica perché la materia tra noi e una galassia distante piega leggermente la sua luce, alterando la forma apparente della galassia. Il tipo specifico di distorsione può rivelare se esistano o meno anisotropie nell’Universo.

Non basta tuttavia osservare semplicemente i modi B su larga scala per confermare un’anisotropia, perché essendo segnali molto deboli potrebbero derivare da errori di misurazione o effetti secondari. Un’anisotropia reale influenzerebbe sia gli i modi E che i B in un modo non indipendente, generando una correlazione tra i due segnali.

Nel loro studio, Adam e colleghi hanno simulato al computer gli effetti di un’espansione anisotropa dell’Universo, sviluppato un modello che descrive come questa modificherebbe il segnale del lensing gravitazionale. Euclid ha già iniziato a fornire dati utili per queste analisi e nuovi osservatori entreranno presto in funzione.

Ora che hanno sviluppato la metodologia corretta, Adam e i suoi colleghi intendono applicarla ai dati reali. “Dopo aver controllato il nostro lavoro quattro volte, bisogna prendere seriamente in considerazione se questo assunto fondamentale sia effettivamente vero oppure no, specialmente nell’Universo più recente.

Se queste anomalie venissero confermate, si aprirebbe dunque un nuovo capitolo nella cosmologia. Non sarà facile, però: esistono già modelli teorici alternativi che prevedono anisotropie, ma nessuno di questi è solido o ampiamente accettato quanto il Modello Standard. Tuttavia, qualsiasi revisione teorica dipenderebbe anche dall’entità dell’anisotropia che potrebbe essere rilevata, che rimane incerta.

“Potrebbe trattarsi di una revisione seria - conclude Adam - oppure solo dell’aggiunta di un piccolo termine qua e là.

Attività di Ricerca Stellare

L'indagine teorica affronta molteplici aspetti della fisica stellare, in particolare: l'equazione di stato e l'opacità del gas atomico e molecolare, l'analisi delle oscillazioni stellari (astrosismologia), il calcolo di atmosfere statiche e dinamiche di stelle fredde, la soluzione dell'equazione del trasporto radiativo in presenza di polveri circumstellari, la trattazione dei processi di mescolamento e di nucleosintesi negli interni stellari.

Questi ingredienti fisici sono quindi utilizzati per il calcolo di estese griglie di tracce evolutive e di isocrone al variare dell'età e della composizione chimica iniziale delle stelle. Tutti i prodotti della ricerca stellare sono resi disponibili mediante pubblicazioni e interfacce web dedicate di ampio utilizzo. Un'altra linea di ricerca di riferimento è quella della sintesi di popolazioni stellari.

Siamo in grado di simulare in modo dettagliato le popolazioni stellari di galassie in tutte le bande fotometriche dei più importanti telescopi e survey astronomiche presenti e future. Nell'ambito della nucleosintesi stellare è attiva la collaborazione con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) nell'ambito del progetti LUNA e LUNA-MV, e la partecipazione al progetto europeo ECOST CheTEC. dell'astrofisica, dalla composizione chimica delle meteoriti della nebula presolare fino alle proprietà spettro-fotometriche delle galassie ad alto redshift. Muovendo dai risultati raggiunti nel progetto STARKEY (ERC Consolidator Grant, PI P.

Le stelle più massicce (oltre 8-10 volte la massa del sole) terminano la propria esistenza in un'esplosione di supernova. Se la massa iniziale della stella è inferiore a circa 25 volte quella solare, la densità nel nucleo diventa così elevata da rendere energeticamente favorevole la progressiva neutronizzazione della materia, fino a che l'enorme pressione dei neutroni degeneri riesce ad arrestare il collasso. La struttura che ne risulta è una stella di neutroni.

Con raggio di 10-15 km e massa di 1-2 masse solari, le stelle di neutroni sono gli oggetti conosciuti più densi e i più potenti magneti nell’universo attuale. La combinazione di altissime densità, enorme gravità ed intensissimi campi magnetici fa delle stelle di neutroni laboratori ideali per testare la fisica fondamentale, dalla quanto elettrodinamica alla quanto-cromodinamica alla relatività generale, nel limite di campo forte.

A Padova è attiva da tempo una linea di ricerca sulle stelle di neutroni, rivolta in particolare allo studio, teorico ed osservativo, delle loro proprietà di emissione in banda X (Chandra, XMM, Swift e INTEGRAL) e ottica (VLT, HST), con particolare riguardo ai Soft Gamma Repeaters e gli Anomalous X-ray pulsars, sorgenti X che contengono una “magnetar”, una stella di neutroni con campo magnetico ultra-intenso, superiore al campo critico quantistico. Il gruppo è coinvolto nello sviluppo delle recenti polarimetria X (IXPE e eXTP).

La missione NASA/ASI IXPE, lanciata nel dicembre 2021, ha osservato per la prima volta alti gradi di polarizzazione nelle magnetar, fornendo un’ulteriore conferma della presenza di campi magnetici ultra-forti e rivelando che la radiazione emessa dalle magnetar può provenire dalla loro superficie condensata.

Cosmologia e Fisica Fondamentale

I principali interessi di ricerca del nostro gruppo risiedono all'intersezione tra Cosmologia e Fisica fondamentale. Questa include lo studio sia dell'Universo primordiale che della struttura a grande scala dell’Universo. Il nostro lavoro di ricerca sulla fisica dell'Universo primordiale ruota attorno ai meccanismi inflazionari per la generazione delle perturbazioni cosmologiche, considerando sia gli aspetti teorici che quelli osservativi.

Un notevole sforzo viene dedicato all'analisi delle fluttuazioni primordiali e alla loro statistica - ovvero, alla possibile deviazione dalla Gaussianità, allo studio del fondo di onde gravitazionali (GWB) prodotto dall’inflazione e da sorgenti astrofisiche. Siamo fortemente coinvolti nella modellizzazione e studio dell’evoluzione di strutture su grande scala e sul come utilizzare tali osservazioni per testare modelli cosmologici.

Questo lavoro include la modellizzazione teorica, l'analisi delle potenziali segnature del GWB primordiale nel modo B di polarizzazione del fondo cosmico alle microonde (CMB) e la caratterizzazione per la misura diretta da interferometri. Per quanto riguarda l'accelerazione cosmica a nell’Universo a basso redshift, il nostro interesse è incentrato sullo studio dei modelli di gravità modificata (MG) sulle scale cosmologiche, includendo predizioni teoriche e misura delle segnature osservative di tali modelli nei dati CMB e di Large-Scale Structure (LSS).

Queste misurazioni dipendono fortemente dai dettagli dell'espansione accelerata e possono essere utilizzate per stabilire forti vincoli su MG. Sia per le sorgenti primordiali che per quelle astrofisiche di onde gravitazionali, ci concentriamo sulla caratterizzazione dei backgrounds, tenendo anche conto degli effetti della propagazione delle onde gravitazionali attraverso disomogeneità cosmiche.

Il gruppo è coinvolto in diverse importanti collaborazioni internazionali, quali Einstein Telescope, Euclid, LISA, LiteBird, SKA ed ha avuto un ruolo fondamentale nella missione Planck, per la parte di inflazione e non-Gaussianità. Un'area di ricerca molto importante per il nostro gruppo è rappresentata dallo studio della formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche a grande scala, sia per mezzo di strumenti analitici che simulazioni numeriche, includendo anche effetti general relativistici.

Il nostro focus è l’evoluzione della LSS, con l’obiettivo di fornire nuovi test per modelli di energia oscura, gravità e fisica dell’Universo primordiale. Nell’ambito di questo argomento, il nostro gruppo è fortemente coinvolto in molte importanti surveys cosmologiche, incluse quelle ottenibili dal satellite Euclid dell’ESA e dal progetto internazionale per l’array radio SKA.

Il Progetto Einstein Telescope in Sardegna

L'Italia è candidata a ospitarlo in Sardegna, nell'area della miniera dismessa di Sos Enattos, nel Nuorese, in competizione con il sito candidato dall'Olanda nella regione del Mosa-Reno. La candidatura italiana sarà al centro dell’evento di Cagliari del 9 maggio - con inizio alle 11.00 nel Centro Congressi THotel - nell’ambito del XIII° Simposio della Collaborazione scientifica internazionale Einstein Telescope, che per una settimana di lavori chiamerà a raccolta centinaia di rappresentanti della comunità scientifica europea.

All’evento prenderanno parte la ministra dell’Università e della ricerca, Anna Maria Bernini (in videoconferenza), il presidente della Regione Sardegna, Christian Solinas, rappresentanti del comitato tecnico-scientifico ministeriale e rappresentanti delle principali istituzioni politiche e scientifiche, locali, nazionali ed europee.

Dopo la pausa pranzo (dalle 13 alle 14.15), nel pomeriggio il focus del convegno sarà sul progetto Einstein Telescope Infrastructure Consortium (ETIC), finanziato attraverso il Piano nazionale di ripresa e resilienza con 50 milioni di euro per supportare la candidatura dell'Italia a ospitare in Sardegna, il più grande rilevatore di onde gravitazionali al mondo.

Nell'affascinante lectio magistralis del Nobel per la Fisica Giorgio Parisi - «l'Italia ha una tradizione antichissima nello studio delle onde gravitazionali» - ci sono tutte le ragioni scientifiche, economiche e sociali, della costruzione in una vecchia miniera ormai famosa a livello internazionale del futuro Rivelatore di terza generazione, mille volte più sensibile delle macchine usate attualmente, e si capisce perché il Governo stia puntando moltissimo su questo «progetto rivoluzionario», per dirla con la ministra Anna Maria Bernini, che ribadisce: «Sos Enattos, Lula, Nuoro, la Sardegna: è qui la casa dell'Einstein Telescope. Per noi, è una priorità assoluta».

La candidatura Entra nel vivo la candidatura italiana di ET, sostenuta, appunto, dall'Esecutivo, dalla Regione, da tutti gli amministratori del territorio e dell'Isola, e coordinata dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in collaborazione con Enti e Università di tutto il Paese, in prima linea quelle di Cagliari e Sassari. Ieri al T-hotel si è svolto il XIII Simposio della comunità scientifica internazionale, a un anno dalla nascita della "ET Collaboration", che comprende 1.400 studiosi, 80 unità di ricerca e 206 istituti in 23 nazioni, e di fronte a un pubblico numerosissimo è stata illustrata questa grande sfida per la realizzazione del gigantesco Interferometro sotterraneo nel cuore dell'Isola, sito considerato «perfetto» dagli addetti ai lavori, molto più dell'altra area concorrente, nel Mosa-Reno, al confine tra Paesi Bassi, Belgio e Germania. Il vincitore si deciderà nel 2024.

Il sito «Sos Enattos è il luogo ideale», dice il professor Parisi, alla guida del comitato tecnico-scientifico di ET, ieri presente al convegno. «I punti di forza sono di carattere geologico, perché questa è una delle zone meno simiche al mondo, poi il terreno di granito, estremamente solido ma anche facile da scavare, la scarsa presenza di falde acquifere, la bassissima densità di popolazione e la ridotta attività antropica e industriale. Detto questo, adesso è assolutamente necessario che la presidenza del Consiglio dei ministri prenda un impegno forte, deciso e scritto, da portare - anche con le preziose relazioni internazionali dell'ambasciatore Ettore Sequi, che fa parte del nostro team - in tutte le sedi opportune».

Subito dopo, ecco l'intervento della ministra Bernini, in videoconferenza, che spiega come «un'altra visita in Sardegna è soltanto rinviata». Lo ha già detto in diverse occasioni e lo ripete con forza: «Noi vogliamo l'Einstein Telescope in Italia, a Sos Enattos, lo sottolineo, se non fosse ancora chiaro da tutto quello che abbiamo detto e fatto in questi mesi di impegno, e soprattutto da quello che faremo. Maggio sarà un mese cruciale, e io continuo a sponsorizzare l'iniziativa anche in giro per il mondo, nei prossimi giorni, per dire, lo farò in Giappone».

Il presidente della Regione Christian Solinas, in una nota ricorda che «la Giunta ha creduto fin dal principio nella grandezza di questo progetto, strategico per l'Italia, per l'Europa e per lo sviluppo della Sardegna. Tutti uniti, stiamo intensificando la nostra azione a ogni livello, da quello politico e istituzionale a quello scientifico, da quello nazionale a quello locale, per sostenere con decisione la candidatura di Sos Enattos.

Ricadute Economiche e Occupazionali

La realizzazione dell'Einstein Telescope avrà ricadute positive su ampie e diverse comunità di portatori di interesse in termini di sviluppo e progresso delle conoscenze, delle tecnologie, dell'economia, sociale e culturale, a livello sia locale, sul territorio del sito ospitante, sia regionale, nazionale e internazionale - spiega il dossier su ET alla voce "opportunità e sostenibilità".

«Al momento gli studi sull'impatto socio-economico dell'opera sono ancora preliminari e in continuo aggiornamento», spiega l'economista Luigi Guiso, dell'Einaudi Institute for Economics and Finance, «presto sarà costituito un comitato ad hoc che avrà il compito di analizzare e calcolare, passo dopo passo, gli effetti moltiplicatori su produzione, valore aggiunto e occupazione».

Intanto, la fase di costruzione è stimata approssimativamente in 9 anni, e il costo complessivo dell'opera - ancora in corso di valutazione - è di 1,7 miliardi di euro, suddiviso in cinque macrocategorie: sito (1 miliardo di euro), sistema di vuoto (497 milioni), criogenia (48 milioni), isolamento sismico (52 milioni), ottica (157 milioni). Il totale del volume d'affari, dato dalla somma di domanda diretta e indotta nei 9 anni di costruzione, è stimato in 6,184 miliardi di euro. Il valore aggiunto è pari a 2,263 miliardi di euro.

Nel complesso, il 65-75% dell'impatto sarà a livello locale-regionale-nazionale, pari a un volume d'affari di 4,329 miliardi di euro, e riguarderà principalmente le aziende dei settori e delle rispettive filiere dell'edilizia, della meccanica, degli studi tecnici ingegneristici, geologici, dei trasporti, della rivendita al dettaglio e all'ingrosso, dell'ospitalità e della ristorazione.

La restante parte - 1,855 miliardi di euro di volume d'affari - riguarderà fornitori stranieri, europei e non, che operano nei settori della produzione delle tecnologie avanzate impiegate nella realizzazione dell'Interferometro. L'effetto totale potenziale in termini di occupazione, diretta e indotta, è stimato in 36.085 unità di forza lavoro, che corrispondono a circa 4.000 persone che lavorano full time ogni anno per i 9 anni di costruzione ipotizzati.

«L'Einstein Telescope, per noi scienziati, è un sogno. È una di quelle infrastrutture di ricerca che spostano avanti le frontiere della conoscenza, di quelle che si costruiscono una volta ogni cinquant'anni nella storia di una nazione e che davvero potranno avere un impatto enorme sul territorio», dice Antonio Zoccoli, presidente dell'Istituto nazionale di Fisica nucleare, ieri a Cagliari per sostenere la candidatura italiana dell'opera.

«Abbiamo proposto questa infrastruttura unica in una miniera dismessa, e sembra un ossimoro osservare l'universo da una struttura sotterranea», aggiunge. «Il fatto è che il sito prescelto è ideale, questo Rilevatore di onde gravitazionali ci aiuterà a carpire i segreti dell'universo più profondo e delle leggi che lo governano, di addentrarci sempre più indietro nel tempo».

La miniera di Sos Enattos è già oggi un luogo di scienza: dal 2019 ospita il laboratorio Sar-Grav con l'esperimento Archimedes (finanziato dall'Infn) che ricerca piccole variazioni di peso indotte dalle fluttuazioni quantistiche ma lavora anche per ET, con l'analisi dell'idoneità del sito.

«Lula può diventare, in piccola scala, come la periferia di Ginevra, che ospita il Cern. Questa infrastruttura porta con sé uno sviluppo sì scientifico, tecnologico e industriale, ma anche sociale perché determina un radicamento sul territorio di una nuova popolazione: quella di centinaia di scienziati e delle loro famiglie», spiega Michele Punturo, ricercatore della sezione di Perugia dell'Infn e coordinatore scientifico di Etic, il consorzio che si occuperà degli aspetti legati allo studio delle tecnologie necessarie a ET.

Tabella: Stima dei costi e dell'impatto occupazionale del progetto Einstein Telescope

Categoria	Costo Stimato (miliardi di euro)
Sito	1.0
Sistema di Vuoto	0.497
Criogenia	0.048
Isolamento Sismico	0.052
Ottica	0.157
Totale Costi	1.7
Volume d'Affari Totale (9 anni)	6.184
Posti di lavoro stimati	36.085