Oggi, L'ESA ha invitato gli scienziati europei a proporre concetti per la terza grande missione nel suo programma scientifico, per studiare l'Universo gravitazionale.

Un osservatorio spaziale delle onde gravitazionali – increspature nel tessuto dello spaziotempo create dall'accelerazione di oggetti massicci – è stato identificato nel 2013 come l'obiettivo per la terza grande missione (L3) nel piano Cosmic Vision dell'ESA.

Nel 2014 è stato nominato un team consultivo dell'Osservatorio gravitazionale. composto da esperti indipendenti. Il team ha completato il suo rapporto finale all'inizio di quest'anno, raccomandando ulteriormente all'ESA di proseguire la missione dopo aver verificato la fattibilità di un progetto multisatellite con masse di prova in caduta libera collegate per milioni di chilometri da laser.

Ora, in seguito al primo rilevamento delle onde sfuggenti con esperimenti a terra e al successo della missione LISA Pathfinder dell'ESA, che ha dimostrato alcune delle tecnologie chiave necessarie per rilevare le onde gravitazionali dallo spazio, l'agenzia invita la comunità scientifica a presentare proposte per la prima missione spaziale per osservare le onde gravitazionali.

"Le onde gravitazionali promettono di aprire una nuova finestra per l'astronomia, rivelando potenti fenomeni in tutto l'Universo che non sono accessibili tramite osservazioni di luce cosmica, "dice Alvaro Giménez, Direttore scientifico dell'ESA.

Predetto un secolo fa dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein, le onde gravitazionali sono rimaste inafferrabili fino alla prima rilevazione diretta da parte del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory e delle collaborazioni Virgo, realizzato nel settembre 2015 e annunciato all'inizio di quest'anno.

Il segnale ha avuto origine dalla coalescenza di due buchi neri, ciascuno con circa 30 volte la massa del Sole e distante circa 1,3 miliardi di anni luce. Un secondo rilevamento è stato effettuato a dicembre 2015 e annunciato a giugno, e ha rivelato onde gravitazionali da un'altra fusione di buchi neri, questa volta coinvolgendo oggetti più piccoli con masse intorno a 7 e 14 masse solari.

Nel frattempo, la missione LISA Pathfinder è stata lanciata nel dicembre 2015 e ha iniziato le sue operazioni scientifiche nel marzo di quest'anno, testando alcune delle tecnologie chiave che possono essere utilizzate per costruire un osservatorio spaziale delle onde gravitazionali.

I dati raccolti durante i suoi primi due mesi hanno mostrato che è effettivamente possibile eliminare i disturbi esterni sulle masse di prova poste in caduta libera al livello di precisione richiesto per misurare le onde gravitazionali che ne disturbano il movimento.

Mentre i rilevatori a terra sono sensibili alle onde gravitazionali con frequenze di circa 100 Hz - o un centinaio di cicli di oscillazione al secondo - un osservatorio nello spazio sarà in grado di rilevare onde a frequenza più bassa, da 1 Hz fino a 0,1 mHz. Le onde gravitazionali con frequenze diverse trasportano informazioni su diversi eventi nel cosmo, proprio come le osservazioni astronomiche in luce visibile sono sensibili alle stelle nelle fasi principali della loro vita, mentre le osservazioni a raggi X possono rivelare le prime fasi della vita stellare o i resti della loro scomparsa.

In particolare, le onde gravitazionali a bassa frequenza sono collegate a oggetti cosmici ancora più esotici rispetto alle loro controparti a frequenza più alta:buchi neri supermassicci, con masse da milioni a miliardi di volte quella del Sole, che siedono al centro di massicce galassie. Le onde vengono rilasciate quando due di questi buchi neri si uniscono durante una fusione di galassie, o quando un oggetto compatto più piccolo, come una stella di neutroni o un buco nero di massa stellare, spirali verso un buco nero supermassiccio.

Osservare le oscillazioni nel tessuto dello spaziotempo prodotte da questi potenti eventi fornirà l'opportunità di studiare come le galassie si sono formate ed evolute nel corso della vita dell'Universo, e per testare la relatività generale di Einstein nel suo regime forte.

I concetti per la missione L3 dell'ESA dovranno affrontare l'esplorazione dell'Universo con onde gravitazionali a bassa frequenza, integrando le osservazioni effettuate a terra per sfruttare appieno il nuovo campo dell'astronomia gravitazionale. La data di lancio prevista per la missione è il 2034.

Le lezioni apprese da LISA Pathfinder saranno cruciali per lo sviluppo di questa missione, ma sarà necessaria anche molta nuova tecnologia per estendere il design del singolo satellite a più satelliti. Per esempio, laser molto più potenti di quelli usati su LISA Pathfinder, così come telescopi altamente stabili, sarà necessario collegare le masse in caduta libera su milioni di chilometri.

Le grandi missioni del programma scientifico dell'ESA sono guidate dall'ESA, ma consentono anche la collaborazione internazionale. La prima missione di grande classe è Juice, l'esploratore delle lune di JUpiter Icy, previsto per il lancio nel 2022, e la seconda è Atena, il telescopio avanzato per l'astrofisica delle alte energie, un osservatorio a raggi X per indagare l'Universo caldo ed energetico, con una data di lancio prevista nel 2028.

Le lettere di intenti per il nuovo osservatorio spaziale di onde gravitazionali dell'ESA devono essere presentate entro il 15 novembre, e la scadenza per la proposta completa è il 16 gennaio 2017. La selezione dovrebbe avvenire nella prima metà del 2017, con una fase preliminare di studio interno prevista per la fine dell'anno.