Osservatorio per le Onde Gravitazionali sulla Luna

di Ferdinando Patat e Silvia Piranomonte

ABSTRACT

La rivelazione delle onde gravitazionali ha inaugurato una nuova era dell’astrofisica, consentendo di studiare il cosmo attraverso le vibrazioni dello spazio-tempo. Tuttavia, la banda delle frequenze intermedie (0.01–1 Hz) rimane oggi inesplorata: le limitazioni dovute al rumore sismico e atmosferico dei rivelatori terrestri e i vincoli tecnologici di quelli spaziali hanno creato un vero e proprio “deserto osservativo”.
La Lunar Gravitational-Wave Antenna (LGWA) propone di colmare questo gap sfruttando la Luna come rivelatore naturale, misurando le sue deformazioni globali indotte dal passaggio di onde gravitazionali attraverso una rete di stazioni sismografiche ultra-sensibili installate in regioni permanentemente in ombra al polo sud lunare, estremamente silenziose e stabili dal punto di vista sismico e termico.
Questo approccio permetterà di investigare fenomeni finora invisibili, tra cui buchi neri di massa intermedia, binarie di nane bianche e sistemi che precedono esplosioni di supernova, oltre a fornire preziose informazioni sulla struttura interna del nostro satellite e sull’origine della Luna.
LGWA rappresenta quindi un progetto visionario e complementare a futuri interferometri terrestri e spaziali, aprendo la strada a un osservatorio gravitazionale planetario unico nel suo genere e alla piena realizzazione dell’astronomia multi-messaggera nel dominio delle frequenze intermedie.

Quando, nel settembre 2015, i rivelatori LIGO negli Stati Uniti e Virgo in Italia captarono un segnale di due buchi neri in collisione, si aprì una finestra completamente nuova sull’Universo. Per la prima volta, invece di osservare il cosmo attraverso la luce, ne ascoltavamo le vibrazioni dello spazio-tempo: le onde gravitazionali.
Predette un secolo prima da Einstein, queste minuscole increspature – con ampiezze pari a un millesimo del diametro di un protone – viaggiano alla velocità della luce trasportando informazioni dirette su eventi cataclismici altrimenti invisibili a qualsiasi telescopio.

Oltre a questa scoperta epocale ne arrivò presto un’altra. Nell’agosto del 2017, gli interferometri LIGO e Virgo rivelarono il segnale GW170817 associato per la prima volta alla fusione di due stelle di neutroni che, a differenza dei buchi neri, emettono anche la luce. Nel giro di pochi secondi, decine di telescopi in tutto il mondo si orientarono verso la stessa regione di cielo, catturando un lampo gamma seguito da emissioni ottiche, infrarosse e radio. Nacque così l’astronomia multi-messaggera, capace di osservare lo stesso evento cosmico attraverso “messaggeri” diversi – onde gravitazionali, fotoni di ogni energia, e potenzialmente neutrini – fornendo una visione più completa e coerente del fenomeno.
In meno di un decennio, LIGO e Virgo sono riusciti a catalogare centinaia di fusioni di buchi neri insieme a due eventi di collisioni tra stelle di neutroni, consolidando così la nuova disciplina dell’astronomia gravitazionale.

Il deserto delle Frequenze Intermedie

Ogni evento astrofisico che coinvolge masse in rapido movimento genera onde gravitazionali a frequenze caratteristiche.
Le fusioni di buchi neri stellari – con masse pari a qualche decina di volte quella del Sole – come anche quelle di stelle di neutroni, producono segnali compresi tra 10 e 1000 Hz. Questo intervallo rientra nella banda di frequenza operativa degli attuali rivelatori terrestri, come LIGO e Virgo e in futuro dell’Einstein Telescope (ET), l’interferometro sotterraneo di terza generazione in fase di progettazione in Europa, che promette una sensibilità fino a dieci volte superiore.
I buchi neri supermassicci, di milioni o miliardi di masse solari situati al centro delle galassie, generano invece onde a frequenze molto più basse, da 0.1 millihertz a 0.1 Hz, che il futuro interferometro spaziale LISA dell’Agenzia Spaziale Europea, potrà rivelare a partire dal 2035.
Fra questi due mondi – tra un decimo di hertz e qualche hertz – ad oggi si estende un vero e proprio deserto osservativo. Questa è la regione dei decihertz, dove si celano eventi chiave come i buchi neri di massa intermedia che collegano quelli stellari a quelli supermassicci, le fusioni di stelle di neutroni e nane bianche, i precursori delle esplosioni di supernova e altri fenomeni fondamentali per comprendere l’evoluzione dell’universo.
Per osservare questi fenomeni serve un rivelatore in grado di captare frequenze più basse di quelle accessibili sulla Terra, ma non così basse come quelle che LISA rivelerà dallo spazio.
In altre parole, serve una piattaforma che faccia da ponte osservativo tra gli interferometri spaziali e quelli terrestri, che sia stabile e silenziosa. Come vedremo, tra i corpi del Sistema Solare, la Luna sembra essere uno dei candidati più adatti a offrire le condizioni necessarie. Ed è qui che entra in scena la Lunar Gravitational-wave Antenna (LGWA), un progetto audace e visionario proposto da un consorzio internazionale guidato da ricercatori del Gran Sasso Science Institute (GSSI), dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). Ne avevamo già anticipato alcune notizie in Coelum n°254.
L’idea è tanto semplice quanto rivoluzionaria: utilizzare la Luna stessa come un gigantesco rivelatore di onde gravitazionali, sfruttando le sue uniche caratteristiche geofisiche per riempire quel gap osservativo che nessun altro strumento può colmare.

Un’alternativa ai Metodi Interferometrici

La caccia alle onde gravitazionali è iniziata molto prima che l’era LIGO/Virgo consacrasse l’interferometria laser, grazie a una brillante idea del fisico Joseph Weber. Il principio su cui si fonda quest’idea è molto semplice. Quando un corpo elastico viene colpito o sollecitato da un segnale periodico, inizia a vibrare. Se la frequenza del segnale assume dei valori specifici, che dipendono dalle proprietà fisiche del corpo stesso, questo entra in risonanza e le oscillazioni si amplificano enormemente. Weber pensò di sfruttare proprio questo effetto, intuendo che il passaggio di un’onda gravitazionale, comprimendo e stirando lo spazio, avrebbe potuto far entrare in risonanza delle pesanti barre metalliche. Weber ebbe quest’idea dopo aver ascoltato Richard Feynmann alla storica conferenza di Chapel Hill nel 1957, durante la quale il noto fisico americano aveva esposto il seguente argomento: se le onde gravitazionali avevano realtà fisica, fatto sul quale all’epoca non tutti erano d’accordo, allora dovevano necessariamente trasportare energia e questa poteva essere dissipata, rendendo quindi possibile la loro rivelazione diretta. Un ragionamento dalla limpidezza sconcertante, che portava lo studio le onde gravitazionali dal campo puramente teorico, cui erano rimaste confinate per quarant’anni, a quello sperimentale.

Perseguendo tenacemente questa idea, negli anni che seguirono Weber e i suoi collaboratori realizzarono diversi detector di questo tipo, costituiti da cilindri di alluminio lunghi circa due metri e del peso di svariate tonnellate, sospesi in modo da isolarli dal rumore esterno e connessi a sensori piezoelettrici atti a rivelarne le vibrazioni. Facendo un parallelo musicale, si può immaginare il tutto come un sistema di microfoni che registrino il suono emesso da una campana tubolare quando il musicista la percuote col mazzuolo. Solo che nel caso delle barre di Weber l’ampiezza dell’oscillazione prevista attorno alla loro frequenza di risonanza (fra 1 e 2 kHz, quindi nel dominio delle frequenze udibili) era dell’ordine di 10⁻16 m: una frazione di metro pari a un decimilionesimo di miliardesimo — molto meno del diametro di un nucleo atomico. Le misure erano ostacolate dalle limitazioni tecnologiche e dall’elevato livello del rumore generato dall’agitazione termica all’interno del metallo, rumore che possiamo paragonare al fruscio in una registrazione. Per mitigare i disturbi ambientali, Weber usò coppie di rivelatori posti a mille chilometri di distanza e connessi da una rete telefonica veloce. Sulla base dei dati raccolti, alla fine degli anni ’60 annunciò di aver osservato eventi compatibili con le onde gravitazionali. Tuttavia, esperimenti indipendenti, fra i quali quelli condotti qui in Italia da Edoardo Amaldi, Guido Pizzella e i loro collaboratori, non confermarono i risultati di Weber, tanto che la comunità scientifica concluse che quei segnali dovevano essere spuri. Ciò nonostante, oltre ad aver dato un impulso fondamentale alla ricerca sperimentale sulle onde gravitazionali, l’idea seminale di Weber ebbe un importante ed immediato risvolto.

Infatti, dalla barra risonante alla gravimetria il passo concettuale è breve: invece di misurare le vibrazioni di un corpo che entri in risonanza, si possono rilevare minuscole variazioni del campo di gravità locale indotte dalle deformazioni globali subite dal corpo al passaggio di un’onda gravitazionale. Proprio con questo spirito — e con Weber tra i promotori — durante la missione Apollo 17 fu portato sulla Luna il Lunar Surface Gravimeter (LSG), uno strumento di precisione che avrebbe dovuto, nelle intenzioni di chi lo aveva ideato e progettato, misurare sia le deformazioni mareali della crosta lunare sia eventuali oscillazioni indotte dalle onde gravitazionali. L’LSG però mancò il suo obiettivo: un errore di taratura legato all’adattamento dell’apparato alla gravità lunare, la ridotta capacità di regolazione fine e alcuni problemi termici ne compromisero il funzionamento. In realtà, come si è capito in seguito, né le barre di Weber né l’LSG possedevano la sensibilità necessaria alla rivelazione diretta delle onde gravitazionali. Il concetto di entrambi gli esperimenti era troppo avanti rispetto alla tecnologia disponibile all’epoca, ma lasciava in eredità un’idea visionaria: che un corpo celeste potesse essere usato come un enorme rivelatore.

Genesi di un’Idea

Alla fine degli anni duemila, negli Stati Uniti si sta analizzando la fattibilità di un telescopio sotterraneo per le onde gravitazionali, concettualmente simile a quello dell’Einstein Telescope di cui si sta discutendo in Europa. Jan Harms è un post-doc alla University of Minnesota, ed è alla ricerca di un sito adatto al nuovo progetto. Sta studiando gli effetti del rumore ambientale a un chilometro e mezzo di profondità, in fondo ai cunicoli di una vecchia miniera d’oro nel South Dakota. Esegue dei test e raccoglie dati, finché si convince che la tecnica dell’interferometria laser, quella utilizzata da LIGO e Virgo, alle basse frequenze si sarebbe presto scontrata con dei limiti invalicabili, anche quando fosse stata impiegata a grandi profondità nel sottosuolo terrestre. Nonostante i vantaggi offerti da un rivelatore sotterraneo, non sarebbe mai stato possibile eliminare le fluttuazioni del campo di gravità causate dall’atmosfera e dalle onde sismiche.

Harms giunge così alla conclusione che, per studiare le onde gravitazionali a frequenze inferiori a pochi Hertz, sarebbe stato necessario sviluppare altri concetti, nuove idee. Negli anni successivi prosegue la ricerca in quella direzione, con un gruppo di ricercatori che lavora allo studio di un ricevitore terrestre per la banda dei decihertz. A seguito di un incontro tenutosi alle Hawai’i nel 2012, quando Jan è ricercatore presso il Caltech, lui e i suoi collaboratori pubblicano un articolo in cui giungono ad una scoraggiante conclusione: non c’è alcuna strada tecnologicamente praticabile per ridurre il rumore di fondo terrestre in modo da rendere possibile l’osservazione di onde gravitazionali fra i 0.01 Hz e qualche Hz. La via sembra chiusa.

Nel corso del 2013, Harms prosegue i suoi studi sul rumore ambientale insieme a Michael Coughlin, uno studente della Harvard University. Per comprendere a fondo i limiti fondamentali imposti dal rumore ambientale, i due scaricano su un cluster del California Institute of Technology tutti i dati sismici allora pubblicamente disponibili. Ed è proprio durante l’analisi di quei dati che Harms s’imbatte in un articolo di Freeman Dyson — una lettura destinata a cambiare il corso delle sue ricerche e a gettare le basi della Lunar Gravitational Wave Antenna. In quella pubblicazione, uscita più di quarant’anni prima, Dyson presentava un modello di come un corpo come la Terra risponda alle sollecitazioni meccaniche indotte dal passaggio di onde gravitazionali. In linea di principio il risultato è promettente, ma l’ampiezza prevista per il segnale è così piccola che il rumore sismico e atmosferico lo sovrastano: anche questa via pare chiusa. Harms non si dà per vinto e lavora ad un metodo che gli permetta di ridurre questo disturbo. I dettagli sono complessi, ma il concetto è questo: è possibile diminuire il rumore se si dispone di misure indipendenti e simultanee, ed il risultato migliore si ottiene quando le stazioni sismografiche sono una agli antipodi dell’altra. Harms e Coughlin si mettono al lavoro e, correlando coppie di stazioni e anni di dati ottenuti da ogni stazione, calcolano i nuovi limiti di sensibilità. Il risultato è straordinario: l’utilizzo della correlazione fra coppie di segnali indipendenti permette una riduzione del rumore di cento milioni di volte. Harms e Coughlin pubblicano i loro risultati su Physical Review, in una serie di tre articoli. Nell’ultimo di questi utilizzano i dati raccolti dalle missioni Apollo. Nonostante la scarsità e la qualità delle informazioni a disposizione, i due ricercatori raggiungono un risultato fondamentale per gli sviluppi di questa storia: la Luna è il sito ideale per la realizzazione del concetto di misura ideato da Freeman Dyson nel 1969.

Gli studi si fermano per qualche anno e anche se l’idea rimane in sospeso, è troppo brillante per cadere nell’oblio. In occasione della Call for Ideas dell’ESA del 2020, dedicata all’esplorazione lunare con un grande lander europeo, un gruppo di ricercatori italiani si incontra per discutere un possibile progetto da presentare all’agenzia spaziale. Del gruppo fa parte anche Marica Branchesi, che si ricorda dei precedenti studi di Harms sui dati sismici lunari e propone di rimettere mano a quell’idea. La proposta viene accolta con entusiasmo e nel giro di poche settimane il concetto di LGWA prende forma.

Il progetto prevede l’installazione di almeno quattro stazioni sismiche, capaci di rilevare le oscillazioni della Luna nella banda che va da 1 millihertz a 10 hertz, nella regione del Mare delle Tempeste.

Le stazioni, disposte a formare un array di circa un chilometro di diametro, sarebbero state posizionate con precisione da una flotta di droni autonomi.

Poco tempo dopo si costituisce formalmente la collaborazione LGWA, che tiene il suo primo incontro ufficiale nell’autunno dello stesso anno. Nel 2021 viene pubblicato su The Astrophysical Journal il primo articolo dedicato al progetto, in cui vengono presentati il concetto generale e i primi studi sui casi scientifici della missione. Da quel momento la collaborazione cresce rapidamente, approfondendo sia gli aspetti scientifici che quelli tecnologici e avviando i primi contatti con potenziali partner industriali. Le attività di questa fase esplorativa culminano nell’autunno del 2024 con la pubblicazione del white paper, che presenta il progetto in forma dettagliata ed è frutto di una collaborazione internazionale che comprende oltre settanta ricercatori.
L’articolo è disponibile a questo link https://arxiv.org/html/2404.09181v1 .

Dalla Terra alla Luna

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Come si è visto, per costruire un rivelatore di onde gravitazionali estremamente sensibile serve un ambiente che sia, prima di tutto, sismicamente quieto. La Terra, con la sua incessante attività geologica e biologica, è tutt’altro che tale: i movimenti tettonici, i terremoti, il continuo movimento delle masse oceaniche, le loro maree e l’attività antropica generano un rumore di fondo che sovrasta qualunque segnale nella banda delle frequenze intermedie. La Luna, invece, è un mondo quasi perfettamente immobile.
Anche se, come abbiamo visto, l’esperimento gravimetrico di Apollo 17 ha avuto poca fortuna, i sismometri passivi delle missioni Apollo hanno fornito un’importantissima mole di dati: dal Passive Seismic Experiment (PSE) di Apollo 11 alla rete ALSEP di Apollo 12, 14, 15 e 16, gli strumenti hanno registrato lunamoti e impatti meteoritici. A quelle sorgenti naturali se ne sono aggiunte altre di artificiali e controllate: la NASA ha fatto impattare deliberatamente stadi di razzo (S-IVB) e moduli di ascesa, generando segnali utili per la tomografia della crosta. In particolare, durante la missione Apollo 17, gli astronauti hanno installato il Lunar Seismic Profiling Experiment (LSPE): una serie di cariche collocate fino a oltre due chilometri a mezzo dal sito, detonate via radio quando l’equipaggio era già ripartito, per generare onde sismiche e ricavare la stratigrafia locale. Anche Apollo 16 ha utilizzato cariche sparate e innescate da remoto a scopo analogo. Questi esperimenti, oltre a fornire la base dei modelli sismologici lunari odierni, hanno rivelato un aspetto importantissimo: dopo ogni impatto o lunamoto, le vibrazioni non si estinguono rapidamente come sulla Terra, ma continuano a risuonare per ore. Ciò significa che la Luna ha un fattore di qualità (indicato come Q) estremamente alto, e cioè perde pochissima energia quando vibra.

In termini pratici, le sue oscillazioni si smorzano molto lentamente. Per riprendere il nostro paragone musicale, la Luna si comporta come una campana tubolare che, una volta percossa, continua a suonare a lungo. Un valore elevato di Q implica che il substrato lunare è eccezionalmente rigido e privo di fluidi, condizioni che riducono l’attrito interno e quindi il decadimento delle onde sismiche. È un comportamento opposto a quello della Terra in cui, a causa della sua struttura interna, l’energia delle vibrazioni viene dissipata rapidamente.

Ma le caratteristiche positive non si limitano a questo. Priva di tettonica a placche e di convezione interna significativa, la crosta lunare non è scossa da deformazioni continue come quella terrestre. I lunamoti registrati dalle missioni Apollo sono stati pochissimi e deboli, spesso legati a contrazioni termiche o a impatti di meteoriti. Le misure effettuate in quegli anni hanno mostrato che, in media, la superficie lunare è almeno mille volte più silenziosa di quella terrestre nella banda 0.01–1 Hz. A questa quiete sismica si aggiunge l’assenza di oceani e atmosfera, che sulla Terra sono sorgenti costanti di microsismi e continue variazioni di pressione. Il suolo lunare non conosce né l’incessante moto delle distese oceaniche né le turbolenze dell’atmosfera: solo il tenue murmure meteoritico, causato dai continui impatti di micro-meteore. I modelli più recenti indicano che il fondo sismico sulla Luna potrebbe essere da diecimila a un milione di volte più debole rispetto a quello terrestre. Un valore che, se confermato, farebbe del nostro satellite naturale l’unico corpo del Sistema Solare adatto a un osservatorio gravitazionale planetario.
Un’altra caratteristica favorevole è che la Luna è immune da qualsiasi antropizzazione: nessun traffico, nessun motore, nessuna vibrazione artificiale. È, a tutti gli effetti, un laboratorio naturale quasi perfetto, in cui anche una debolissima sollecitazione può risuonare a lungo e in modo pressoché indisturbato.

Ci sono infine due aspetti che rendono la Luna davvero unica. Il primo è il cosiddetto aggancio mareale: la Luna mostra sempre la stessa faccia alla Terra perché il suo periodo di rotazione è sincronizzato con quello orbitale. Ciò significa che un rivelatore lunare mantiene un orientamento relativamente stabile rispetto al sistema Terra-Luna e la sua rotazione è lentissima, semplificando l’analisi dei dati e la calibrazione degli strumenti. Il secondo è la presenza di quelle che vengono chiamate Regioni Permanentemente in Ombra (RPO). Ai poli lunari esistono depressioni e crateri sufficientemente profondi che la luce solare diretta non li raggiunge mai, a causa della piccola inclinazione dell’asse di rotazione lunare rispetto al piano orbitale. All’interno delle RPO la temperatura è stabile e costantemente inferiore ai 40 Kelvin (-233°C), creando un ambiente criogenico naturale, ideale per ridurre in modo drastico il rumore termico all’interno dei sensori, senza la necessità di un raffreddamento forzato ed energeticamente dispendioso. La stabilità termica è fondamentale: le grandissime escursioni di temperatura cui è soggetta qualunque altra regione del suolo lunare all’avvicendarsi del giorno e della notte, causano dilatazioni e contrazioni che rendono impossibile il funzionamento dei delicatissimi sensori che si intendono utilizzare. Nelle RPO questo problema viene praticamente eliminato.
Gli studi condotti sinora hanno individuato alcune regioni adatte a LGWA. Anche se il polo nord non è escluso a priori, come vedremo più oltre l’attenzione si concentra maggiormente sul polo sud, anche a causa dell’interesse che questa regione desta per missioni anche non strettamente scientifiche.

La Lunar Gravitational Wave Antenna

Il cuore della Lunar Gravitational Wave Antenna è una rete di quattro stazioni sismografiche ultra-sensibili distribuite entro un’area dal raggio dell’ordine di un chilometro e poste sul fondo di una RPO. Ciascuna stazione ospiterà dei sensori inerziali così sensibili da essere in grado di misurare oscillazioni del suolo dell’ordine del picometro (un milionesimo di milionesimo di metro) a 0.1 Hz, e del femtometro (mille volte più piccolo) a 1 Hz. Tanto per dare un’idea dell’estrema precisione richiesta, il diametro di un atomo di idrogeno misura circa 100.000 femtometri. Per ottenere una sensibilità così elevata, ogni sensore conterrà una massa sospesa in equilibrio quasi perfetto, sostenuta da una sospensione di Watt — un raffinato sistema meccanico che consente alla massa di oscillare in una sola direzione, eliminando vibrazioni parassite e inclinazioni indesiderate. Questa massa sarà realizzata in materiali superconduttori, come niobio o silicio ultrapuro, scelti per la loro rigidità, stabilità termica e minima dissipazione meccanica.

Per rilevare gli spostamenti infinitesimali della massa di prova, si stanno valutando due tecniche alternative. La prima è l’interferometria laser, che misura lo sfasamento fra due fasci di luce riflessi da specchi microscopici: una variazione di pochi femtometri produce un cambiamento rilevabile nel segnale ottico. Questa tecnica si basa sul principio dell’interferometria laser, simile a quella di LIGO e Virgo, ma applicata a un sistema molto più compatto. Ogni sensore contiene una massa sospesa in equilibrio quasi perfetto: quando la Luna si deforma anche di una frazione infinitesimale a causa del passaggio di un’onda gravitazionale, la posizione relativa tra la massa e il suolo cambia. Un interferometro ottico rileva questa variazione misurando lo sfasamento dei raggi laser riflessi su specchi montati con precisione nanometrica. La seconda è la lettura superconduttrice a SQUID, acronimo di Superconducting Quantum Interference Device: un sensore quantistico che traduce minuscole variazioni di flusso magnetico in un segnale elettrico.

Lo SQUID sfrutta le proprietà dei materiali superconduttori – privi di resistenza – per misurare variazioni magnetiche miliardi di volte più piccole di quelle che un normale sensore elettronico potrebbe rilevare. Accoppiando la massa sospesa con uno SQUID, ogni vibrazione del suolo lunare può essere trasformata in una variazione di flusso magnetico, e da questa in un segnale digitale di altissima fedeltà. Entrambe le soluzioni promettono sensibilità estreme, ma ciascuna ha le sue difficoltà: l’interferometria richiede un controllo ottico e termico impeccabile, mentre gli SQUID impongono condizioni criogeniche e schermature magnetiche accuratissime. La scelta finale dipenderà dai risultati dei test e dalla capacità di ciascun approccio di mantenere stabilità e precisione nel severo ambiente di una RPO.

Con l’utilizzo di queste tecnologie, LGWA punta a raggiungere una sensibilità senza precedenti nella banda 0.01–1 Hz, una regione dove nessun rivelatore ha mai ascoltato prima.
L’interferometria, combinata con modelli geofisici dettagliati, permetterà di tradurre queste oscillazioni in una misura diretta dell’ampiezza e della direzione dell’onda gravitazionale incidente. Per continuare con il nostro paragone musicale, sarebbe un po’ come cercare di ricostruire la forza, la direzione e la forma del mazzuolo che ha colpito la campana tubolare dallo studio del suono che essa ha emesso e dalla conoscenza della sua composizione e struttura interna.
A differenza degli interferometri terrestri, quindi, LGWA non misurerà variazioni di distanza tra specchi posti a chilometri di distanza, ma le deformazioni globali della crosta lunare stessa. È un approccio complementare: dove LIGO e VIRGO vedono lo spazio che si deforma, LGWA ascolta il pianeta che risuona.
Se la missione sarà approvata, diventerà il primo esperimento nella storia a utilizzare un intero corpo celeste come rivelatore gravitazionale naturale.

Difficoltà, Innovazione e sfide Tecnologiche

Costruire un rivelatore di onde gravitazionali sulla Luna non significa solo portare strumenti sofisticati su un altro mondo: significa costruire un laboratorio in un ambiente estremo e di difficile accessibilità. L’assenza di luce solare diretta rende infatti difficile ogni operazione di atterraggio, posizionamento e approvvigionamento di energia.

Il progetto prevede che le quattro stazioni sismografiche vengano trasportate e posizionate da rover autonomi o da astronauti nel contesto di future missioni umane. I sensori dovranno essere dislocati con estrema precisione e poi livellati a pochi centomillesimi di grado, così da eliminare qualsiasi pendenza residua che possa introdurre rumore causato da un disallineamento rispetto alla verticale locale. Anche la calibrazione rappresenta una sfida notevole: poiché le onde gravitazionali producono deformazioni globali della Luna, è necessario conoscere con grande accuratezza la risposta meccanica del globo lunare, ancora incerta perché tale è la sua struttura interna. Le prime misure serviranno quindi a costruire un modello geofisico calibrato della regione, combinando dati sismici, termici e gravimetrici.

L’alimentazione delle stazioni sismografiche è un altro nodo cruciale. Nelle RPO non arriva mai luce diretta, quindi i tradizionali pannelli solari non possono essere utilizzati al loro interno. Due sono le possibilità che si stanno vagliando. La prima, più affidabile ma non priva di controindicazioni e rischi, prevede l’uso di generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG), che sfruttano il calore rilasciato dal decadimento radioattivo per produrre energia elettrica tramite termocoppie, fornendo una sorgente stabile per decenni (tutti ricorderanno lo RTG che Matt Damon si porta dietro nella sua traversata verso il cratere Schiaparelli in The Martian). La seconda, più audace, prevede l’installazione di una “torre solare” alta alcune decine di metri sul bordo del cratere, capace di catturare la luce solare e convogliarla alle stazioni tramite cavi di distribuzione o fasci ottici. Ciò si basa sul fatto che, se è vero che ai poli lunari ci sono zone permanentemente in ombra, vi è sempre possibile trovare una zona illuminata. Un sistema ibrido, che combini RTG e pannelli solari potrebbe garantire la ridondanza necessaria per un esperimento concepito per durare almeno vent’anni.

La gestione termica e meccanica dei sensori richiede inoltre un controllo attivo a circuito chiuso: sistemi di sospensione magnetica e compensazione attiva manterranno la massa di misura in perfetto equilibrio, mentre unità di livellamento micrometrico correggeranno eventuali micro spostamenti del terreno. Ogni stazione sarà dotata di un’unità di comunicazione a banda larga, con antenna direzionale per il collegamento periodico con un orbiter o un relay dedicato in orbita lunare. A tale proposito va detto che ci sono già dei progetti per dotare la Luna di sistemi di comunicazione e localizzazione, a supporto dell’esplorazione e del suo possibile sfruttamento.

Tutte queste soluzioni tecniche saranno prima validate con la missione Soundcheck, proposta dalla collaborazione LGWA e selezionata dall’ESA come precursore tecnologico di LGWA: un singolo lander che testerà sensori, sistemi di potenza e comportamento termico nelle condizioni reali. Solo dopo questa fase esplorativa potrà iniziare la costruzione dell’osservatorio completo — un passo senza precedenti verso un nuovo tipo di astronomia.

La corsa al Polo Sud

La realizzazione di un progetto come LGWA richiede infrastrutture permanenti sulla superficie lunare: forniture di energia stabile, comunicazioni continue, capacità di trasporto e manutenzione. A prima vista potrebbe sembrare pura fantascienza — un osservatorio sepolto in un cratere gelido, alimentato da una torre solare e servito da robot autonomi. Eppure, tutto questo rientra perfettamente nel quadro della corsa al polo sud della Luna oggi in pieno svolgimento.

Le regioni polari, e in particolare quella meridionale, rappresentano il luogo più promettente per l’esplorazione e la futura presenza umana. Come si è detto, in prossimità dei poli lunari si trovano le RPO, zone fredde e stabili, ideali per esperimenti scientifici come LGWA, ma anche depositi di ghiaccio d’acqua, una risorsa vitale per la sopravvivenza e la produzione di propellente. I bordi dei crateri, invece, restano quasi sempre illuminati dal Sole, condizione che favorisce la costruzione di impianti per la produzione di energia. Proprio per questo, NASA, ESA, India e Cina stanno tutte puntando le loro missioni verso questa regione. Il programma americano Artemis, che mira a riportare gli astronauti sulla Luna entro la fine del decennio, prevede la costruzione di un avamposto permanente vicino al polo sud, con moduli abitativi, sistemi di supporto vitale e laboratori scientifici.

L’ESA partecipa con il concetto di Moon Village, una rete internazionale di infrastrutture condivise che includerà robot, lander scientifici e — in prospettiva — telescopi e osservatori geofisici.

Particolare importanza riveste il cratere Shackleton, il cui nome onora il celebre esploratore antartico che all’inizio del Novecento guidò spedizioni leggendarie verso il polo sud terrestre. Il cratere si trova quasi esattamente al polo sud e, con i suoi 21 chilometri di diametro e circa 4 di profondità, è una delle conformazioni più affascinanti e scientificamente interessanti del nostro satellite. Il fondo del cratere è immerso in ombra permanente, poiché il Sole, visto da quella latitudine, non si alza mai più di due gradi sull’orizzonte. L’interno del cratere è un ambiente tra i più freddi del Sistema Solare. Osservazioni radar e spettrali effettuate dalle missioni Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) e Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) indicano la presenza di ghiaccio d’acqua mescolato a regolite nei suoi strati più profondi. Il bordo del cratere, al contrario, riceve luce solare quasi continua, fino al 90% dell’anno lunare. Queste caratteristiche fanno di Shackleton un sito ideale per basi scientifiche e infrastrutture per la produzione di energia, come le torri solari ipotizzate per LGWA.

Non a caso, negli ultimi anni Shackleton è diventato uno degli obiettivi principali dell’esplorazione lunare. È stato studiato in dettaglio dal LRO e scelto come zona di interesse per missioni come NASA VIPER e ESA Prospect, destinate a cercare ghiaccio e caratterizzare il suolo polare. In questo scenario, un esperimento come LGWA non appare più visionario, ma coerente con l’evoluzione naturale della presenza umana e robotica sulla Luna. Le missioni Commercial Lunar Payload Services della NASA stanno già aprendo la strada, trasportando piccoli lander e strumenti scientifici verso il polo sud. Soundcheck, la missione precursore di LGWA, potrebbe unirsi a questo flusso di esplorazioni entro la prossima decade.
La “corsa al polo sud” non è più un ritorno simbolico, ma il primo passo verso una permanenza duratura, dove la Luna diventa una piattaforma scientifica stabile. In quel contesto, LGWA sarebbe uno dei suoi strumenti scientifici più ambiziosi.

La scienza da sviluppare con LGWA

L’importanza nel rivelare le onde gravitazionali nella banda 0.01-1 Hz sta nell’unicità delle sorgenti astrofisiche che emettono in questo intervallo di frequenze, non osservabili da rivelatori come LIGO/VIRGO, LISA o ET.
Tra le principali sorgenti gravitazionali che popolano questa banda troviamo:

• Buchi neri di massa intermedia. Questi oggetti misteriosi, con masse comprese tra 100 e 100.000 masse solari, rappresentano l’anello mancante tra i buchi neri stellari e quelli supermassicci. La loro stessa esistenza è ancora dibattuta, e il loro meccanismo di formazione è uno dei grandi enigmi dell’astrofisica moderna. Si sono formati dalle prime stelle dell’universo? Sono il risultato di fusioni successive in ammassi stellari densi? LGWA potrebbe rilevare la fusione di questo tipo di buchi neri fino a redshift superiori a 10, permettendoci di studiare la loro popolazione nell’universo primordiale e di comprendere il loro ruolo nella formazione dei buchi neri supermassicci che osserviamo oggi al centro delle galassie.
• Binarie di nane bianche. Per la prima volta, un rivelatore di onde gravitazionali potrà osservare la fusione completa di sistemi binari contenenti nane bianche. Questi sistemi sono particolarmente interessanti perché potrebbero essere i progenitori delle supernovae di tipo Ia (SNIa) – anche conosciute come quelle “candele standard” che hanno rivelato l’espansione accelerata dell’universo e l’esistenza dell’energia oscura. LGWA potrà rilevare decine di sistemi binari di nane bianche fino a circa 100 megaparsec di distanza, ben oltre la nostra Galassia. Questo permetterà di ottenere statistiche cruciali per verificare se le SNIa derivino effettivamente dalla loro fusione.
• Eventi di distruzione mareale di nane bianche. Quando una nana bianca si avvicina troppo a un buco nero di massa intermedia, le forze mareali possono letteralmente fare a pezzi la stella, creando un evento che emette sia onde gravitazionali che radiazione elettromagnetica. LGWA sarebbe l’unico strumento in grado di rivelare la componente gravitazionale di questi eventi rari e violenti, che potrebbero avvenire negli ammassi globulari o nei nuclei di galassie nane.

Oltre agli obiettivi scientifici primari, LGWA e Soundcheck produrranno anche scienza lunare di altissimo livello. In particolare, potranno contribuire a studiare:

• I modi normali della Luna. Come una campana che vibra quando viene percossa, anche la Luna può vibrare nelle sue frequenze naturali di risonanza, chiamate modi normali. Queste oscillazioni dipendono dalla struttura interna, dalla densità e dall’elasticità dei materiali che la compongono. Sorprendentemente, i modi normali lunari non sono mai stati osservati con certezza. Come detto in precedenza, i sismometri delle missioni Apollo non erano abbastanza sensibili alle frequenze più basse (sotto 0.1 Hz) dove si manifestano i modi più importanti. Grazie alla sua straordinaria sensibilità proprio in questo intervallo, LGWA potrebbe essere il primo strumento a rivelarli chiaramente, fornendo una vera e propria “radiografia” diretta dell’interno profondo della Luna.
• La struttura interna e l’origine della Luna. I dati di LGWA permetteranno di determinare la dimensione e la composizione del nucleo lunare, lo spessore della crosta e le proprietà del mantello. Queste informazioni saranno fondamentali per comprendere come si è formata la Luna – probabilmente in seguito a un gigantesco impatto tra la proto-Terra e un corpo delle dimensioni di Marte, chiamato Theia, circa 4,5 miliardi di anni fa – un evento i cui dettagli sono ancora oggetto di dibattito.
• I terremoti lunari più deboli. Con una sensibilità oltre cento volte superiore a quella dei sismometri Apollo, LGWA potrà rivelare migliaia di debolissimi eventi sismici finora invisibili. Tra questi, il ronzio meteoritico: un segnale di fondo prodotto dall’impatto continuo di micrometeoriti, che potrà fornire informazioni preziose sulla distribuzione di queste particelle nello spazio circumterrestre. Inoltre, LGWA sarà in grado di localizzare con precisione le sorgenti dei terremoti lunari, sia profondi sia superficiali, contribuendo a chiarire se la Luna sia ancora o almeno in parte tettonicamente attiva.

LGWA: Una Sinfonia Cosmica Completa

Tra le capacità di LGWA c’è anche quella di fornire i cosiddetti “early warnings” o avvisi precoci – per la fusione di sistemi binari contenenti stelle di neutroni. Poiché LGWA osserverebbe questi sistemi da settimane a mesi prima della fusione finale (che avviene a frequenze più alte, rilevabili da rivelatori come l’Einstein Telescope), potrebbe localizzare in anticipo la sorgente nel cielo con una precisione di pochi arcominuti quadrati. Ciò darebbe ai telescopi elettromagnetici il tempo di prepararsi e puntare nella direzione giusta, massimizzando le probabilità di catturare la controparte ottica, ultravioletta, X o radio dell’evento fin dall’inizio – un vero sogno per l’astronomia multi-messaggera.

Inoltre LGWA avrebbe un ruolo importante anche nelle osservazioni multibanda, ossia nella capacità di seguire la stessa sorgente attraverso diversi rivelatori di onde gravitazionali che operano a frequenze differenti.

Consideriamo la fusione di due buchi neri stellari, ciascuno con una massa di circa 30 volte quella del Sole. Quando questi oggetti si trovano ancora relativamente lontani, orbitano lentamente l’uno attorno all’altro, emettendo onde gravitazionali a bassa frequenza. Man mano che perdono energia per emissione gravitazionale, si avvicinano e accelerano, aumentando progressivamente la frequenza del segnale. LGWA potrebbe osservare il sistema circa un giorno prima della fusione finale, quando emette intorno a 0,3 Hz. Poche ore dopo, il sistema entrerebbe nella banda di LIGO, Virgo e dell’Einstein Telescope (>10 Hz), dove verrebbe osservata sia la fusione vera e propria, sia il “ringdown”, ossia l’eco gravitazionale del buco nero appena formato che si stabilizza.

Questa continuità osservativa permetterebbe di fare misure di precisione senza precedenti. Parametri come l’eccentricità dell’orbita – un indicatore cruciale del canale di formazione del sistema – sono molto più facili da misurare quando si segue il sistema per lungo tempo a basse frequenze. La combinazione dei dati di LGWA ed Einstein Telescope potrebbe ad esempio rivelare se un sistema si è formato attraverso l’evoluzione stellare binaria isolata o attraverso interazioni dinamiche in ambienti densi come gli ammassi globulari.

Le simulazioni indicano che LGWA potrebbe osservare circa 960 sistemi di buchi neri binari in comune con l’Einstein Telescope durante un decennio di osservazioni, e alcuni di questi eventi potrebbero essere rilevati anche da LISA, a frequenze ancora più basse.

La possibilità di seguire gli stessi sistemi attraverso tre bande di frequenza diverse consentirebbe di unire in un unico racconto fenomeni altrimenti frammentati, rivoluzionando così il modo in cui studiamo la formazione e l’evoluzione dei buchi neri.

Le Interviste ai Protagonisti del Congresso LGWA

Dal 15 al 19 settembre si è tenuto a San Benedetto del Tronto, presso il campus della Università di Camerino, il workshop annuale della collaborazione Lunar Gravitational‑Wave Antenna (LGWA). L’evento ha riunito oltre un centinaio di ricercatori provenienti da tutta Europa (e non solo) per confrontarsi sullo sviluppo di un innovativo osservatorio lunare dedicato alla rilevazione di onde gravitazionali nella banda del deci-hertz, grazie a una rete criogenica di sensori posti in una zona permanentemente in ombra della Luna. Tra i temi affrontati: scienza delle onde gravitazionali, osservazioni multi-messaggero, tecnologia del payload lunare, sismologia lunare e collaborazione internazionale per missioni spaziali future. Le seguenti interviste, a cura di Molisella Lattanzi, raccolgono i contributi dei principali protagonisti del meeting, tracciando uno spaccato dello stato attuale e delle prospettive di LGWA.

Andrea Perali

Università di Camerino

ML: Siamo al workshop dedicato al progetto Lunar Gravitational-Wave Antenna. Ce ne parla Andrea Perali, docente di Fisica della Materia all’Università di Camerino. Andrea, qual è il ruolo del tuo gruppo di ricerca all’interno della collaborazione?
AP: Il mio gruppo si chiama Complex Quantum Matter, e si occupa principalmente di superconduttività e superfluidità. Studiamo le proprietà fisiche dei materiali superconduttori, i meccanismi teorici che ne sono alla base e svolgiamo attività sperimentali per caratterizzarne il trasporto elettrico, le proprietà in funzione della temperatura, dei campi magnetici esterni e della geometria dei campioni.
Proprio grazie a questa competenza, siamo entrati nella collaborazione LGWA, perché la missione prevede l’uso di attuatore e sensori superconduttivi nel payload, cioè nella strumentazione che sarà installata sulla superficie lunare.

ML: Quindi i superconduttori saranno parte attiva del rivelatore di onde gravitazionali lunare?
AP: Esatto. I dispositivi superconduttori possono funzionare sia in modo attivo sia passivo. In modalità attiva, gli avvolgimenti di materiale superconduttore generano campi magnetici tramite correnti che circolano senza dissipazione di energia. Queste correnti permettono di esercitare forze magnetiche controllate su altre componenti del sistema, ma senza produrre calore, perché nei superconduttori la resistenza elettrica è praticamente zero — parliamo di valori inferiori a 10⁻²⁰ o 10⁻²⁴ ohm/cm, cioè non misurabili con gli strumenti attuali.
Questo è un vantaggio enorme per esperimenti che richiedono altissimi fattori di qualità, come LGWA, perché elimina i disturbi termici e le fluttuazioni che potrebbero compromettere la sensibilità del rivelatore.

ML: Chi coordina lo sviluppo di tutta questa complessa strumentazione?
AP: Il coordinamento generale è affidato al Gran Sasso Science Institute (GSSI), che dirige l’intero progetto e mette insieme numerose istituzioni di ricerca. Il working group del payload è uno dei tre gruppi principali e coinvolge università, enti pubblici e, in prospettiva, anche aziende private del settore aerospaziale.
Il nostro compito, come gruppo universitario, è realizzare i proof of principle, cioè i prototipi dimostrativi di sensori e attuatori superconduttivi. In seguito, queste tecnologie passeranno a un livello più avanzato di sviluppo — quello che in gergo chiamiamo TRL, Technology Readiness Level — e saranno poi affidate all’industria per l’ingegnerizzazione e la certificazione spaziale.

ML: Dal punto di vista tecnico, quanto è realistico pensare di ottenere sulla Luna la stessa precisione che abbiamo raggiunto con esperimenti terrestri come Virgo?
AP: È una sfida enorme, ma possibile. Bisogna distinguere tra due possibili scenari: o sarà una sonda automatica a trasportare e installare la strumentazione, oppure dovremo attendere missioni con equipaggio umano che possano installare fisicamente il sistema al polo sud lunare.
La configurazione prevede più sismografi disposti in configurazione, con bracci lunghi circa un chilometro. Il problema è installarli e alimentarli: serviranno pannelli solari esterni ai crateri, o forse generatori nucleari a isotopi radioattivi per garantire energia costante nel tempo. Il deployment, cioè la posa in opera dell’intero network, sarà un’impresa tecnica e logistica estremamente complessa.
L’ambiente lunare presenta sfide uniche: polvere finissima, forti escursioni termiche e la necessità di lavorare in zone permanentemente in ombra, dove le temperature restano stabili e molto basse. Tutti questi fattori richiedono soluzioni tecniche sofisticate e materiali altamente resistenti.

ML: I dati raccolti saranno resi disponibili alla comunità scientifica?
AP: Certamente. Come accadde per le missioni Apollo, tutti i dati saranno pubblici, in modo da favorire ulteriori analisi e sviluppi futuri.

ML: E dal punto di vista italiano, l’Agenzia Spaziale Italiana è già coinvolta?
AP: Sì. ASI sta finanziando lo sviluppo dei sensori superconduttivi e stiamo finalizzando i contratti relativi ai materiali e alla strumentazione. L’ESA ha inserito Soundcheck, la missione pathfinder di LGWA, nella lista delle missioni lunari di riserva, un riconoscimento importante che apre la strada a una partecipazione europea ampia. Prima del rivelatore finale, verranno realizzati prototipi intermedi da testare a terra e in condizioni analoghe a quelle lunari.

Gianluca Di Rico

INAF, Osservatorio di Teramo

ML: Siamo con Gianluca Di Rico, dell’INAF – Osservatorio di Teramo, di cosa ti occupi e come sei arrivato a partecipare a questo progetto?
GDR: Sono tecnologo e da molti anni mi occupo di ottica adattiva, cioè di tecnologie per correggere la turbolenza atmosferica nei telescopi di grande diametro. Lavoro, ad esempio, al progetto per l’ELT in Cile, che speriamo di vedere in funzione intorno al 2030. Negli ultimi anni mi sono interessato anche alle applicazioni spaziali, collaborando con la NASA nella missione ORCAS e con il GSSI su nuove tecnologie. In questo contesto ho iniziato a seguire LGWA, dove alcune soluzioni nate per l’ottica adattiva possono essere riutilizzate.

ML: In che modo queste tecnologie si applicano a un progetto come LGWA, che riguarda la rilevazione di onde gravitazionali sulla Luna?
GDR: In LGWA si parla di strumenti estremamente sensibili, simili a sismografi lunari. Le tecnologie di posizionamento e controllo elettromeccanico usate in ottica adattiva possono servire a stabilizzare e livellare la piattaforma del payload, riducendo il rumore di fondo e mantenendo i sensori entro il loro range di funzionamento. Sono componenti ottici, elettronici e meccanici, non legati direttamente all’osservazione astronomica, ma al controllo e alla stabilità del sistema.

ML: Quindi si tratta di sistemi per mantenere il sensore stabile e compensare eventuali vibrazioni o micro-movimenti?
GDR: Esatto. L’ambiente lunare sarà criogenico, a poche decine di kelvin, quindi serve un sistema che funzioni a basse temperature e con consumi minimi di energia e massa. Per questo stiamo studiando soluzioni derivate dai nostri sistemi ottici, come sensori di posizionamento interferometrici o capacitivi, adattati a un uso spaziale. Collaboriamo anche con i colleghi di Firenze, che stanno sviluppando sensori simili per gli specchi di Einstein Telescope, e potremmo riutilizzare queste tecniche per LGWA.

ML: In pratica, potremmo parlare di una sorta di “stabilizzazione adattiva” per il payload lunare.
GDR: Sì, esattamente. È un controllo attivo, elettromeccanico, non ottico. In questo contesto non osserviamo stelle o sorgenti fisse, ma controlliamo il movimento dei componenti per garantire che la piattaforma resti livellata e che il sismometro lavori nelle condizioni ottimali.

ML: A che punto siete con lo sviluppo?
GDR: Faccio parte del Science Committee della missione, dove seguo gli aspetti tecnologici insieme ad altri colleghi, mentre altri si occupano della parte scientifica e dei modelli gravitazionali. Con il GSSI collaboriamo allo sviluppo di piattaforme criogeniche e simulatori lunari, grazie anche a fondi PNRR. L’obiettivo a breve termine è essere pronti entro il 2028 con un dimostratore tecnologico, chiamato SoundCheck, che potrebbe essere portato sulla Luna entro il 2030.

ML: SoundCheck: un nome curioso, legato al concetto di onde?
GDR: Sì, il nome richiama proprio l’idea del “controllo del suono”, o meglio, delle vibrazioni. È un pathfinder, cioè un dimostratore tecnologico di LGWA. Sarà un singolo sismometro — non una rete completa — con prestazioni ridotte ma sufficienti a dimostrare la fattibilità dell’esperimento e la prontezza delle tecnologie necessarie.

ML: E LGWA, invece, come sarà configurato?
GDR: L’idea è una rete di almeno tre sismografi disposti in una configurazione a stella, distanziati di circa un chilometro, collegati a una stazione centrale per sincronizzazione e alimentazione. È solo una configurazione preliminare, ma serve come base per gli studi.

ML: Uno dei temi più complessi sembra quello dell’alimentazione.
GDR: Sì, è uno dei punti critici. In un ambiente permanentemente in ombra, come quello previsto per LGWA, i pannelli solari non sono sempre un’opzione. La soluzione ideale sarebbe una batteria nucleare, che garantirebbe energia per decenni, ma in Europa queste tecnologie non sono facilmente disponibili per motivi politici e normativi. Si sta discutendo anche di batterie sostituibili o power station che ricarichino i moduli tramite rover, ma è ancora tutto in fase di studio.

ML: Quindi la scelta finale dipenderà anche dalle altre missioni lunari, come quelle del programma Artemis?
GDR: Assolutamente sì. Artemis sarà determinante. Se la NASA dovesse rallentare o ridurre il proprio impegno, l’intera pianificazione lunare ne risentirebbe. ESA e ASI dipendono molto dal quadro politico e logistico che si sta costruendo intorno al ritorno dell’uomo sulla Luna.

ML: Allo stesso tempo, però, cresce anche l’interesse commerciale per la Luna.
GDR: Esatto, e questo ha due facce. Da un lato può creare interferenze con i nostri esperimenti — attività minerarie, rover, carotaggi producono vibrazioni che i nostri sensori registrerebbero. Dall’altro lato, la presenza dell’industria porta risorse, tecnologie e infrastrutture da cui anche la ricerca può trarre vantaggio. È come è successo per gli osservatori terrestri: le luci delle città hanno costretto a spostarsi, ma allo stesso tempo l’industria ha reso possibili telescopi più potenti. L’importante è integrare gli obiettivi scientifici e quelli tecnologici per crescere insieme.

ML: Una visione molto concreta e realistica.
GDR: Direi di sì. La ricerca pura e l’innovazione industriale devono andare di pari passo. È l’unico modo per far avanzare progetti ambiziosi come LGWA.

Angela Stallone

Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV)

ML: Angela, che cosa ci fai a una conferenza tipicamente dedicata all’astrofisica, con un progetto destinato alla Luna?
AS: Eh, me lo chiedo anch’io! In realtà l’INGV è coinvolto nel progetto LGWA su diversi fronti, alcuni ancora in fase di definizione. Quello che per noi è più urgente e centrale riguarda la simulazione del background noise lunare, cioè del rumore sismico di fondo della Luna. È un aspetto fondamentale, perché — anche se non abbiamo ancora misure quantitative precise — sappiamo che la Luna, dal punto di vista sismico, è molto più quieta della Terra. Tuttavia, “più quieta” non significa “silenziosa”: esiste comunque un rumore di fondo che dobbiamo stimare per poter poi isolare il segnale d’interesse, quello delle onde gravitazionali.

ML: Quindi vi occupate di simulare il rumore sismico della Luna. In che modo?
AS: Per farlo utilizziamo metodi geofisici, che rappresentano l’approccio più completo e coerente per stimare il noise. In una simulazione geofisica possiamo definire l’intero processo: dalla sorgente che genera il rumore sismico al modello del mezzo in cui le onde si propagano, fino al sismogramma che ci aspettiamo di misurare. In questo modo otteniamo una stima realistica del segnale che, una volta noto, potrà essere sottratto per individuare meglio le onde gravitazionali.

ML: Mi viene da chiedere: abbiamo già inviato sismografi su Marte — ma sulla Luna? Esistono già misure dirette del suo comportamento sismico?
AS: Sì, ma risalgono alle missioni Apollo, quindi a strumenti ormai molto datati. I sismografi installati allora non sono affatto paragonabili a quelli di oggi: i segnali registrati erano di qualità piuttosto scarsa e, soprattutto, non broadband, cioè non coprivano l’intero intervallo di frequenze che oggi ci interessa. Negli ultimi anni diversi gruppi hanno provato a riprocessare quei dati, cercando di estrarre più informazioni possibili, ma restano limiti strutturali — come la saturazione dei segnali — che non possono essere corretti. Ecco perché attendiamo con grande interesse nuovi dati di qualità molto più elevata e strumenti moderni.

ML: Quindi non sarà necessario inventare un nuovo tipo di sismometro apposta per la missione lunare?
AS: Esatto. Lo strumento sarà simile a quelli già utilizzati sulla Terra, ovviamente calibrato per l’ambiente lunare. Ma deve ancora essere lanciato, quindi tutto il percorso di sviluppo e validazione è ancora in corso.

ML: E chi si occupa di questa parte all’interno dell’INGV? Sei tu la referente principale o c’è un gruppo di lavoro dedicato?
AS: Al momento ci sono già alcuni colleghi coinvolti, ma stiamo lavorando per allargare la partecipazione e creare un gruppo più strutturato. L’obiettivo è integrare competenze diverse, sia da chi ha già dato la disponibilità sia da nuovi colleghi che potranno contribuire. Anche perché poi ci sarà uno studio scientifico collettivo, e sarà importante avere il contributo di più mani e prospettive.

ML: Capisco. E nel tuo lavoro quotidiano, di cosa ti occupi principalmente?
AS: Sono una geofisica, e mi occupo in particolare di sismologia. Per la mia tesi di laurea ho studiato la propagazione delle onde sismiche in mezzi fratturati, mentre durante il dottorato mi sono spostata sulla sismologia statistica. Oggi la mia ricerca unisce entrambe le anime: da un lato la parte statistica e di analisi dell’azzardo sismico, con particolare attenzione alla quantificazione dell’incertezza, e all’urgent computing, più vicina all’inversione delle forme d’onda e alla modellazione numerica.

ML: Interessante. Alla conferenza di Geologia Planetaria a Pescara, lo scorso aprile, ho notato una forte presenza di ricercatori dell’INGV. Mi pare che la sismologia stia diventando sempre più rilevante anche per l’esplorazione spaziale, giusto?
AS: Assolutamente sì. La sismologia planetaria è un campo in forte espansione, perché permette di comprendere la struttura interna dei corpi celesti. È un po’ un circolo virtuoso: conoscere la struttura interna aiuta a interpretare i segnali sismici, e viceversa. Per questo la collaborazione tra geofisici e astrofisici è oggi più importante che mai.

ML: Ti ringrazio, Angela. E complimenti per questa affascinante avventura lunare!
AS: Grazie a te!

Paola Severgnini

INAF, Osservatorio di Brera

ML: Ciao Paola. Per i lettori di Coelum, puoi raccontarci qual è il tuo ruolo, le tue competenze e dove lavori quotidianamente?
PS: Sono ricercatrice dell’INAF, presso l’Osservatorio Astronomico di Brera, nella sua sede milanese. Mi occupo dello studio dei buchi neri massicci, cioè con masse superiori a 10⁵ masse solari. Negli ultimi anni mi sono concentrata sullo studio di questi oggetti sia dal punto di vista elettromagnetico sia, in parte, gravitazionale, in particolare per quanto riguarda i sistemi binari o duali di buchi neri massicci. Li chiamiamo “duali” quando i due buchi neri sono ancora relativamente distanti tra di loro, e “binari” quando sono più vicini e interagiscono gravitazionalmente l’uno con l’altro.

ML: In che modo la tua ricerca si inserisce nel progetto Lunar Gravitational-Wave Antenna?
PS: I sistemi di buchi neri binari massicci — mentre si avvicinano ruotando uno intorno all’altro fino alla possibile coalescenza — emettono onde gravitazionali anche nella banda di frequenze del deci-Hertz, che è esattamente quella che il progetto LGWA andrà a campionare dalla superficie lunare.

ML: Mi dicevano che l’esperimento sarà più sensibile a buchi neri di massa intermedia, giusto?
PS: Sì, esatto. Io per abitudine parlo di “massicci”, ma in realtà LGWA sarà sensibile anche ai buchi neri di massa intermedia, quindi tra 10³ e 10⁴ masse solari. Io ho sempre studiato buchi neri attivi massicci, cioè oggetti che accrescono materia e quindi emettono radiazione nelle bande elettromagnetiche, con masse tipicamente maggiori di 10⁵ masse solari. Con LGWA il campo di studio si allarga, permettendo di esplorare anche le fasce di massa più basse e quindi di seguire l’intera popolazione di buchi neri in un intervallo molto più ampio.

ML: È un progetto estremamente ambizioso: installare strumenti di altissima precisione sulla Luna, dove non si può intervenire in caso di problemi, sembra una sfida enorme. Qui al workshop qual è la percezione generale? Ci si crede davvero o prevale la cautela?
PS: Direi che ci si crede molto. La fattibilità tecnica è uno dei temi centrali di questo workshop, ma non ci sono dubbi reali sulla possibilità di realizzare la missione. Piuttosto, si discute come farla al meglio, valutando se servirà o meno l’intervento umano, per esempio con astronauti. Quindi il punto non è “se si può fare”, ma “come e quando farlo” nel modo più efficace, anche in coordinamento con altri futuri rivelatori gravitazionali.

ML: A proposito: LGWA non entrerà in competizione con altri strumenti come Einstein Telescope, giusto?
PS: Esatto, non è una competizione ma una complementarità. Ogni esperimento sarà sensibile a bande di frequenze diverse delle onde gravitazionali. Grazie a strumenti come LIGO e Virgo, Einstein Telescope, LISA, LGWA e le PTA (Pulsar Timing Arrays), riusciremo a coprire praticamente l’intero spettro gravitazionale, dalle alte alle bassissime frequenze, ossia da qualche Hertz fino a circa 10⁻⁹ Hz. Questo ci permetterà di seguire l’evoluzione dei sistemi binari di buchi neri nel tempo, osservandoli man mano che la loro emissione si sposta da una banda all’altra in funzione della massa e della fase evolutiva.

ML: E l’INAF di Brera è molto presente nel progetto LGWA. È per una questione di competenze specifiche o di coordinamento generale?
PS: Entrambe. Io sono una delle coordinatrici del working group dedicato all’astrofisica, insieme ad Andrea Maselli del GSSI e a Roberto Serafinelli, attualmente all’Università Diego Portales in Cile ma fino a poco tempo fa anche lui all’INAF. Oltre a noi, ci sono altri gruppi di lavoro dedicati al payload e allo studio del suolo lunare. Inoltre, sia io che altri ricercatori INAF facciamo parte dello steering group, il comitato che prende alcune delle decisioni principali sul progetto.

ML: Quindi una partecipazione attiva, non solo scientifica ma anche organizzativa.
PS: Esatto. E poi ci sono molti giovani ricercatori coinvolti: alcuni si occupano delle simulazioni gravitazionali, altri cercano le controparti elettromagnetiche degli eventi che LGWA potrà osservare. L’obiettivo è riuscire ad avere entrambi i segnali, quello gravitazionale e quello elettromagnetico, per localizzare con precisione l’evento in una specifica galassia e studiarne l’ambiente circostante.

ML: Quindi potremmo dire che l’obiettivo è “contestualizzare” le onde gravitazionali dal punto di vista astrofisico.
PS: Si, questo e’ uno degli obiettivi, non il solo. La controparte elettromagnetica ci dice dove e in che tipo di ambiente astrofisico avviene l’evento gravitazionale e questo ci permette di avere un quadro completo dell’evento stesso.

ML: Il progetto è sotto l’egida dell’ESA?
PS: Il Principal Investigator è il Gran Sasso Science Institute (GSSI), con Prof. Jan Harms come coordinatore. L’ESA ha selezionato la missione scientifica Soundcheck, il pathfinder di LGWA come progetto di interesse per future campagne lunari. Significa che se ci saranno le condizioni e i finanziamenti adeguati, l’Agenzia Spaziale Europea è pronta a sostenerlo.

ML: Ho visto anche la partecipazione di ricercatori internazionali, come una giovane scienziata cinese oggi in Cile.
PS: Sì, l’abbiamo invitata noi come coordinatori del gruppo Astrofisica e Gravitazione. Lavora proprio sui buchi neri di massa intermedia e sulle loro firme elettromagnetiche. È un segnale importante: LGWA è un progetto internazionale e aperto, che mira a coinvolgere competenze da tutto il mondo.

ML: Direi un progetto affascinante e visionario.
PS: Sì, assolutamente. Parlare di strumenti da posizionare sulla Luna non è certo una cosa di tutti i giorni, ma la ricerca guarda sempre avanti — e questa volta lo fa davvero, fino alla Luna.

Jan Harms

Gran Sasso Science Institute (GSSI)

ML: Tutti mi rimandano a te come “il capo di tutto”, quindi partiamo dalle basi: qual è la tua occupazione principale al Gran Sasso Science Institute e il tuo ruolo nel progetto?
JH: Sono professore al GSSI, dove coordino il gruppo che lavora su fisica gravitazionale e tecnologie spaziali. Abbiamo iniziato a sviluppare l’idea di LGWA nel 2020, quando l’ESA chiese ai ricercatori europei di proporre progetti da portare sulla Luna. In Italia si è formato subito un gruppo molto motivato, e da allora io coordino questa collaborazione, che nel frattempo è cresciuta moltissimo.

ML: Quindi la missione è nata proprio da un’iniziativa italiana. Quante persone sono coinvolte oggi?
JH: Sì, l’idea iniziale è nata qui. Oggi il core team è composto da circa 10-15 persone molto attive, che si riuniscono regolarmente ogni due settimane. Ma la collaborazione allargata conta già oltre un centinaio di ricercatori: fisici, ingegneri e tecnologi che lavorano su modelli scientifici e sviluppo di strumenti.

ML: Il workshop che si svolge oggi in Italia è parte di un ciclo internazionale o un evento unico?
JH: L’obiettivo è organizzare un workshop ogni anno in Europa, perché logisticamente è più semplice. Tuttavia, vogliamo anche espandere la collaborazione globalmente, quindi stiamo pianificando incontri simili in India, Cina e Stati Uniti, per favorire il coinvolgimento di altre agenzie spaziali come NASA o ISRO, insieme a ESA e ASI. L’idea è costruire un progetto realmente internazionale.

ML: E il GSSI come partecipa concretamente al progetto?
JH: Il GSSI è il centro di coordinamento principale. Qui lavoriamo sia sugli studi scientifici, sia sugli aspetti tecnologici. Collaboriamo con i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che ci offrono infrastrutture ideali per testare componenti e sistemi. Inoltre, grazie al nuovo Space and Earth Innovation Campus dell’Aquila, possiamo sviluppare tecnologie spaziali in collaborazione con l’industria, come Thales Alenia Space, già coinvolta nel progetto. In pratica, stiamo creando un polo scientifico e industriale dedicato allo spazio e, in particolare, alla ricerca lunare.

ML: Domanda inevitabile: c’è già un’idea dei tempi? Quando potremmo realisticamente vedere LGWA sulla Luna?
JH: È la domanda più difficile! Siamo ancora nelle prime fasi, ma i progressi tecnologici sono rapidi. Penso che entro cinque anni potremo avere un prototipo funzionante. Dopo servirà tempo per la fase di validazione e, soprattutto, per trovare una missione spaziale che ci porti nel punto giusto della superficie lunare — non possiamo installare LGWA ovunque. Se tutto procede bene, direi che il 2035 è una stima ottimistica, più probabilmente tra il 2035 e il 2040.

ML: Quindi non è un sogno lontano, ma un obiettivo concreto a medio termine.
JH: Esattamente. LGWA è un progetto ambizioso ma tecnicamente realizzabile. Il nostro obiettivo è costruire un esperimento lunare che unisca astrofisica, sismologia e fisica fondamentale. È una grande sfida, ma anche un passo importante per la scienza europea.

ML: Ti ringrazio, Jan, e complimenti per la visione e per il lavoro di coordinamento.
JH: Grazie a te, è sempre un piacere condividere questo entusiasmo.

Ferdinando Patat

European Southern Observatory (ESO)

ML: Passiamo ora a Ferdinando Patat, dell’European Southern Observatory (ESO). Ferdinando, qual è il tuo ruolo nel progetto LGWA?
FP: Lavoro in Germania, all’ESO, dove sono responsabile dell’assegnazione del tempo di osservazione sui telescopi. In questo contesto però ho un duplice ruolo: faccio parte del comitato scientifico di LGWA e sono responsabile del gruppo Outreach e Comunicazione, appena costituito. Il mio coinvolgimento nasce in realtà dal mio lavoro scientifico: sono un esperto di supernovae, uno dei fenomeni astrofisici chiave per cui LGWA è stato concepito.

ML: Quindi partecipi anche a titolo personale come ricercatore.
FP: Esatto. Il mio primo contatto con la collaborazione risale a un workshop a Berna tre anni fa. In seguito, dato il mio interesse per la divulgazione, ho contribuito alla creazione del gruppo Outreach, che oggi si occupa della comunicazione del progetto: dai poster ai materiali per conferenze, fino agli eventi pubblici.

ML: Se dovessi spiegare LGWA ai lettori di Coelum, come la descriveresti? È davvero realizzabile?
FP: Secondo me sì, è solo una questione di tempo. Le tecnologie necessarie sono già in sviluppo. Il problema principale, oggi, è raggiungere il polo sud lunare: nessuna agenzia spaziale lo ha ancora fatto. Ma sono convinto che ci arriveremo, anche perché è lì che probabilmente nasceranno le prime basi permanenti.È un progetto ambizioso e affascinante, con una componente quasi fantascientifica, ma è perfettamente coerente con la storia della scienza: dal primo sguardo di Galileo alla Luna, fino a oggi, l’uomo ha sempre cercato di estendere la sua osservazione oltre i limiti.

ML: Dal punto di vista ambientale, alcuni potrebbero vedere queste missioni come un’invasione di un territorio ancora incontaminato. Vi state ponendo il problema etico di “non inquinare” la Luna?
FP: Sì, è una questione importante. Tuttavia, la missione scientifica non sarà la principale causa d’impatto. Noi ci “appoggeremo” — come si dice in gergo piggy-back — a missioni già previste, che porteranno altro materiale e infrastrutture. Il nostro payload sarà piccolo e poco invasivo.
Il vero rischio ambientale arriverà quando inizieranno le attività minerarie o infrastrutturali, non certo dalle apparecchiature scientifiche. Per questo è importante intervenire presto, prima che la Luna venga contaminata.

ML: LGWA viene talvolta paragonata a Einstein Telescope o LISA. Si tratta di una competizione?
FP: No, affatto. LGWA è complementare, non in competizione. Einstein Telescope osserva una certa banda di frequenze delle onde gravitazionali da Terra; LISA, nello spazio, copre un’altra banda, a frequenze molto più basse. LGWA andrà a colmare la fascia intermedia — quella che dalla Terra non è osservabile a causa del rumore sismico e oceanico.
Le oscillazioni che LGWA misurerà hanno frequenze comprese tra circa 0,01 e 1 Hz, dove fenomeni come pre-esplosioni di supernove o sistemi binari compatti emettono segnali oggi invisibili. Da Terra è impossibile misurarli, perché gli oceani e l’attività umana generano un rumore di fondo troppo alto.

ML: Quindi l’investimento vale la pena?
FP: Sì, assolutamente. Ci sono casi scientifici che non possono essere affrontati in altro modo. E poi, rispetto ai costi complessivi delle missioni spaziali, LGWA rappresenta un carico secondario: si sfrutterà la presenza di altre missioni per portare strumentazione scientifica di poche centinaia di chili. È un piccolo passo, ma di enorme valore conoscitivo.

ML: Il gruppo Outreach che coordini ha già in programma attività di comunicazione pubblica?
FP: Sì. Stiamo predisponendo una newsletter, una pagina Wikipedia ufficiale, un trailer divulgativo e la partecipazione con stand alle principali conferenze internazionali. Inoltre vogliamo portare il progetto nelle scuole e nei festival scientifici, per raccontare come la collaborazione fra discipline e paesi diversi possa portare a un esperimento così ambizioso.

ML: Il GSSI è il cuore dell’iniziativa e la collaborazione ha una forte componente italiana. Buona parte della tecnologia e dei gruppi di ricerca coinvolti provengono dal nostro Paese. Un ottimo motivo d’orgoglio nazionale, dunque.
FP: Certo, ma è anche un bellissimo esempio di cooperazione scientifica internazionale, la sola capace di portare l’umanità — e la conoscenza — ancora più lontano.

Luigi Cacciapuoti

European Space Agency (ESA)

ML: Puoi raccontarci qual è il tuo ruolo e perché partecipi al workshop dedicato a LGWA?
LC: Lavoro nel direttorato scientifico dell’Agenzia Spaziale Europea, dove seguo diverse missioni di fisica fondamentale basate su sensori ad altissima precisione. In particolare, sono Project Scientist della missione ACES (Atomic Clock Ensemble in Space), che utilizza orologi atomici di altissima stabilità installati sulla Stazione Spaziale Internazionale per testare la relatività generale di Einstein e verificare eventuali variazioni delle costanti fondamentali.
Per quanto riguarda LGWA, seguo la missione dal punto di vista scientifico, perché è stata proposta all’ESA come progetto da implementare sulla superficie lunare. La proposta ha superato la prima fase di valutazione ed è ora in attesa dei primi studi di fattibilità.

ML: Quindi, per ora, l’ESA ha un ruolo di osservatore?
LC: Esatto. In questa fase stiamo monitorando i progressi del progetto e siamo pronti a finanziare studi preliminari di fattibilità, per aiutare la comunità scientifica a consolidare la proposta. Al momento il nostro ruolo è quello di una sorta di “incubatore”: osserviamo, supportiamo e identifichiamo i punti critici che vanno affrontati prima di un vero investimento operativo.

ML: Quando l’interesse sarà consolidato, come cambierà il coinvolgimento dell’ESA?
LC: A quel punto l’ESA entrerà in maniera più diretta, coordinando i contributi provenienti dai vari Paesi e dalle agenzie nazionali. Ora ci limitiamo a fornire un quadro di riferimento e a facilitare il dialogo tra i diversi attori, ma quando la missione passerà alla fase successiva — quella ingegneristica — verrà formato un team completo, con scienziati, ingegneri meccanici e termici.

ML: Quali sono le principali difficoltà tecniche di LGWA?
LC: È una missione complessa e costosa, perché prevede misure ad altissima sensibilità in un ambiente estremamente ostile come la regione permanentemente in ombra del polo sud lunare, dove le basse temperature e la mancanza di luce solare rendono difficile alimentare e mantenere gli strumenti.

ML: Ci sono già tempistiche indicative per l’avvio degli studi?
LC: Sì, già dal prossimo anno dovrebbero partire i primi studi di fattibilità ESA, con il coinvolgimento diretto dei ricercatori che hanno proposto la missione. Saranno loro a definire i requisiti scientifici e prestazionali, che poi i nostri team valuteranno per capire se sono tecnicamente raggiungibili.

ML: È interessante parlare di una missione ancora nelle prime fasi: di solito si sente parlare dei progetti solo quando sono già avviati.
LC: Esatto. Uno dei compiti dell’ESA è incubare le idee, farle crescere e dare alla comunità scientifica il tempo e le risorse per migliorarle. Quando poi arriva una nuova call for proposals, la missione può essere ripresentata in forma più matura, avendo già superato i principali problemi tecnici e concettuali.

ML: Quindi LGWA è ancora un’idea in evoluzione, ma con basi solide.
LC: Sì, direi proprio così. È una proposta promettente, e il nostro obiettivo è farla evolvere fino al punto in cui potrà diventare una missione scientifica concreta.

Conclusione

L’ultima volta che un essere umano camminò sulla Luna fu nel dicembre del 1972, con la missione Apollo 17. L’allora comandante Eugene Cernan, prima di risalire sul modulo di ascesa, lasciò le sue iniziali tracciate sulla polvere grigia, immaginando che sarebbero rimaste lì “per sempre”. Da allora, per oltre cinquant’anni, nessuno è più tornato. Oggi, il polo sud lunare rappresenta la meta del grande ritorno: non più un traguardo simbolico come quello dell’era Apollo, ma l’inizio di una presenza stabile e cooperativa, dove le agenzie spaziali del mondo uniscono le forze per costruire il primo avamposto scientifico permanente al di fuori della Terra.
LGWA si inserisce naturalmente in questo nuovo capitolo: non un sogno isolato, ma un tassello concreto di quella “seconda era dell’esplorazione lunare” che sta già cominciando.

Questo articolo non può che chiudersi con un brano del Sidereus Nuncius, quello in cui Galileo descrive le sue prime osservazioni con il telescopio. Dopo aver descritto il suo strumento, scrive: “Ma io, lasciate le cose terrene, mi rivolsi alla speculazione di quelle celesti; e per prima mirai la Luna.”
Non possiamo fare a meno di chiederci cosa direbbe Galileo se sapesse che la Luna, il primo oggetto celeste cui lui rivolse il suo telescopio, è destinata a sua volta a diventare uno strumento di osservazione. Un modo straordinario per chiudere il cerchio della conoscenza iniziato più di quattro secoli fa.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 277 VERSIONE CARTACEA