C’è un momento, nella storia della scienza, nel quale una domanda apparentemente piccola, e ad oggi senza risposta, può diventare più importante della risposta che si sta cercando.
Nel caso dell’Einstein Telescope, la domanda potrebbe essere questa: se nello spettro compare una riga, siamo davvero in grado di dire chi l’ha prodotta?
Sembra una questione da laboratorio. In realtà, dietro quella riga possono esserci un aerogeneratore, una sorgente naturale, un’altra attività antropica, oppure più sorgenti contemporaneamente. E se le frequenze si sovrappongono, l’identificazione dell’origine del segnale diventa un problema sperimentale tutt’altro che banale.
È da qui che prende le mosse questa intervista con il Prof. Renato Giovanetti una questione che riguarda direttamente uno dei progetti scientifici più ambiziosi mai immaginati per la Sardegna, l’Einstein Telescope.
Una questione che potrebbe diventare decisiva per il futuro dell’Einstein Telescope è quella che, trovare una frequenza non basta. Bisogna sapere da quale sorgente proviene, come si propaga nello spazio e nel sottosuolo e, soprattutto, quanto del suo effetto arriva a incidere sul Newtonian Noise del rivelatore.
Prima dell’intervista c’è la storia personale del Prof. Giovanetti e una Lectio Magistralis: quando la fisica insegna a non confondere il segnale con la sua origine, ricordando la propria formazione presso l’Istituto di Fisica Superiore dell’Università di Cagliari con il professor Piero Brovetto, Ordinario di Fisica Superiore, e il rapporto accademico e scientifico che Brovetto intratteneva con il professor Tullio Regge, Ordinario di Fisica all’Università di Torino.
È il riferimento a quella che viene definita una vera e propria “Lectio Magistralis” dei Maestri, non nel senso di una posizione attribuita oggi ai due professori sull’Einstein Telescope, ma come richiamo a un modo di fare fisica: osservare, misurare, interpretare e soprattutto non confondere il dato sperimentale con ciò che si ritiene che quel dato significhi.
Ed è proprio questo metodo che torna oggi al centro della discussione.
Perché una cosa è dire:“Abbiamo visto una riga spettrale”, maun’altra è dire: “Sappiamo con certezza quale sorgente l’ha prodotta.”
E ve ne è un’altra ancora: “Sappiamo quanto di quel segnale raggiunge il sito dell’Einstein Telescope e quale contributo produce al Newtonian Noise.”
Sono tre affermazioni differenti e richiedono tre livelli differenti di dimostrazione.
Professore, da dove nasce questa sua attenzione alle onde gravitazionali?
La mia formazione universitaria presso l’Istituto di Fisica Superiore dell’Università di Cagliari, con il professor Piero Brovetto, mi ha avvicinato a un modo di leggere i fenomeni fisici nel quale il rapporto fra osservazione sperimentale e interpretazione del dato assume un’importanza fondamentale.
Il riferimento a Brovetto e Tullio Regge è per me una testimonianza personale. Non intendo attribuire loro alcuna posizione sull’attuale progetto dell’Einstein Telescope né sulla questione degli impianti eolici. Il punto che mi interessa è recuperare il metodo.
Quando si osserva un fenomeno fisico, bisogna innanzitutto stabilire che cosa è stato effettivamente misurato e successivamente quale interpretazione fisica può essere data a quella misura.
Il caso WINES può essere trasferito automaticamente a Bitti e Onanì?
Il riferimento sperimentale da cui parto è lo studio WINES sul parco eolico Buddusò–Alà dei Sardi.
Nel documento sono riportate componenti spettrali a 3,4, 5,0, 6,8 e 9,5 Hz, attribuite dagli autori alle vibrazioni degli aerogeneratori. Viene inoltre studiata la propagazione del segnale a distanze dell’ordine di chilometri, fino a circa 13 chilometri, e il comportamento dei segnali nei sensori sotterranei P2 e P3. Ma proprio questo risultato pone una domanda: sono state effettuate misure analoghe per gli aerogeneratori presenti tra Bitti e Onanì?
Perché un dato sperimentale ottenuto su una sorgente non può essere semplicemente trasferito a un’altra sorgente senza una specifica verifica.
Il territorio tra Bitti e Onanì presenta un sistema di aerogeneratori differente. Se vogliamo conoscere il loro contributo, dobbiamo caratterizzare quelle sorgenti.
La domanda è quindi semplice: esiste uno spettro sperimentale specifico di quelle sorgenti nella banda 1–10 Hz?
Se compare una frequenza, come sappiamo da dove arriva?
Questo è probabilmente il punto più delicato.
Una riga spettrale ci dice che una determinata componente è presente nel segnale, ma non ci dice automaticamente quale sia la sorgente. Se due sorgenti producono componenti alla stessa frequenza, la frequenza da sola non consente di stabilire l’origine. Per questo bisogna utilizzare altre osservabili fisiche.
Lo stato operativo della turbina. L’ampiezza. La fase. La direzione di propagazione. La polarizzazione. La slowness. L’azimut. La coerenza spaziale, e bisogna caratterizzare il wavefield.
Il documento richiama, in questo senso, l’array analysis e l’utilizzo di parametri come slowness e azimut, oltre alla correlazione fra firma spettrale, blade rotation rate e backazimuth.
Per questo la formula che sintetizza il problema è: RIGA SPETTRALE ≠ IDENTIFICAZIONE AUTOMATICA DELLA SORGENTE.
È un principio elementare, ma decisivo.
Professore, ammettiamo di aver identificato la sorgente. È sufficiente?
No, perché a quel punto inizia un’altra parte dell’esperimento che è quello di seguire il segnale.
Per gli aerogeneratori tra Bitti e Onanì è stato misurato il campo sismico lungo la propagazione verso l’area di interesse dell’Einstein Telescope? Qual è l’attenuazione con la distanza? Che cosa accade nel sottosuolo? Qual è la correlazione spaziale nella banda 1–10 Hz?
Il caso WINES mostra che queste sono grandezze che possono essere studiate sperimentalmente. Ma ancora una volta bisogna evitare un equivoco: un risultato ottenuto per Buddusò–Alà dei Sardi non costituisce automaticamente la misura delle sorgenti Bitti–Onanì, sono sorgenti differenti.
E dunque la domanda resta aperta: qual è il campo sismico effettivamente prodotto dalle sorgenti presenti nel territorio interessato dall’Einstein Telescope?
Professore entriamo nel cuore della questione: che cos’è realmente il Newtonian Noise?
Il Newtonian Noise non coincide con il semplice rumore sismico misurato da un sensore. Il problema nasce dal fatto che i movimenti del terreno e le variazioni della distribuzione di massa possono produrre perturbazioni del campo gravitazionale locale. Ed è proprio questo che rende il fenomeno particolarmente delicato: non stiamo più parlando soltanto di una vibrazione meccanica che può essere attenuata con una barriera o con uno schermo.
La domanda diventa quindi: quali vibrazioni generate dagli aerogeneratori possono raggiungere l’area di interesse?
E successivamente: quale contributo possono produrre al rumore gravitazionale rilevante per l’esperimento?
La sequenza fisica da verificare è quella indicata nel documento: sorgente eolica → stati oscillatori tellurici → perturbazioni di Rayleigh → variazioni di densità → Newtonian Noise.
È una catena, e se manca una misura in uno degli anelli, bisogna dichiararlo.
Gli studi citati nel documento, tra cui Harms et al. (2022) e Janssens et al. (2024), affrontano il problema del Newtonian Noise e delle correlazioni fra rumore sismico e rumore gravitazionale.
Ma la domanda che interessa specificamente questo territorio è: quanto vale questo contributo per le sorgenti Bitti–Onanì?
Professore, arriviamo al punto che forse interessa maggiormente chi deve progettare il rivelatore: quanto pesa una pala eolica nel Noise Budget?
Esattamente, perché non basta dire che esiste rumore nella banda 1–10 Hz, bisogna sapere quanto di quel rumore diventa Newtonian Noise e quanto questo contributo pesa sul noise budget dell’Einstein Telescope.
Quindi bisogna conoscere:
- il contributo della sorgente;
- la propagazione;
- il contributo al Newtonian Noise;
- l’eventuale cancellazione;
- il residuo dopo la cancellazione;
- l’incertezza associata;
- il confronto con la sensibilità richiesta.
La domanda diventa allora quantitativa: qual è la componente del noise budget attribuibile alle sorgenti eoliche e con quale incertezza?
Il documento sottolinea proprio che la compatibilità non può essere dedotta dalla semplice presenza di una perturbazione sismica nella banda di interesse. Il passaggio decisivo è il contributo al Newtonian Noise, la cancellazione, il residuo e il confronto con il noise budget.
Professore, qual è allora la domanda conclusiva?
La domanda conclusiva è forse la più semplice da formulare e la più difficile da soddisfare: quali misure fisiche di rumore di fondo documentano oggi, direttamente, gli effetti delle sorgenti presenti tra Bitti e Onanì?
E, soprattutto, come vengono separate le sorgenti quando più fenomeni producono componenti spettrali sovrapposte?
Se abbiamo una componente a una certa frequenza, come possiamo attribuirla a una sorgente precisa? E con quale grado di confidenza possiamo escludere un’origine diversa?
È necessario distinguere chiaramente quattro livelli: MISURATO, INFERITO, MODELLIZZATO e VERIFICATO. Non sono sinonimi perché una misura è una misura, come un’inferenza è un’inferenza, un modello è un modello e una verifica sperimentale è una verifica sperimentale.
La solidità della conclusione dipende dalla possibilità di percorrere tutta la catena e dichiarare apertamente quale anello sia stato effettivamente dimostrato.
Ma allora Professore il problema non è più soltanto tecnico e la domanda riguarda sul futuro stesso del progetto.
Infatti, l’Einstein Telescope è destinato a essere uno degli strumenti scientifici più sofisticati mai concepiti per l’osservazione delle onde gravitazionali, e per questo, un’infrastruttura di questa natura non può affidarsi a supposizioni quando si parla delle sue condizioni ambientali.
Deve conoscere il proprio rumore, deve conoscere le proprie sorgenti, deve conoscere il modo nel quale i disturbi si propagano, deve sapere quali possono essere cancellati e quali no e soprattutto, deve sapere con quale incertezza.
E allora arriva la domanda che forse nessuno dovrebbe considerare polemica: se per le sorgenti eoliche presenti nell’area Bitti–Onanì non fossero disponibili tutti gli studi sperimentali necessari a chiudere la catena sorgente → propagazione → Newtonian Noise → noise budget, su quali basi scientifiche si potrebbe dichiarare definitivamente compatibile il sito destinato a ospitare Einstein Telescope?
E ancora: si può decidere di costruire un osservatorio progettato per ascoltare l’Universo prima di avere stabilito, con la stessa precisione, che cosa ascolterà la Terra intorno a lui?
Questa non è una domanda contro l’eolico e non è una domanda contro l’Einstein Telescope, è una domanda sulla misura.
Perché se il problema è il rumore, la prima regola dovrebbe essere sapere esattamente quale rumore stiamo ascoltando.
Quale significato fisico Professore possiamo attribuire a componenti dello spettro provenienti da sorgenti diverse quando gli spettri si sovrappongono?
La domanda è antica, ma oggi assume una dimensione nuova, perché nel caso dell’Einstein Telescope non si tratta semplicemente di interpretare un grafico, si tratta di decidere se un determinato ambiente sia sufficientemente silenzioso per consentire a uno strumento estremamente sensibile di captare segnali provenienti dagli eventi più violenti dell’Universo.
E allora la questione diventa quasi paradossale, perché per ascoltare le onde gravitazionali dell’Universo, bisogna prima essere certi di conoscere tutte le voci della Terra.
Le pale eoliche sono una di queste voci, ma la domanda scientifica non è se parlino è invece: quanto forte parlano, fino a dove arriva la loro voce, e quanto di quella voce entra davvero nell’ascolto dell’Einstein Telescope?
È qui che la fisica deve dare la risposta e, prima ancora della risposta, deve dire con chiarezza quali sono le misure che permettono di darla.
Perché, come ricorda la lezione metodologica che ho richiamato sopra, il punto di partenza resta sempre lo stesso: prima il dato. Poi l’interpretazione. Infine la verifica.
Andrea Caldart
Foto copertina: immagine generata dall’AI
