Anche questa volta Einstein aveva ragione! Dopo 100 anni di teorie e supposizioni, l’esistenza delle onde gravitazionali è stata provata!
Per comprendere a fondo l’importanza di questa scoperta occorre analizzare il significato di ‘onda gravitazionale’.
Con onda gravitazionale si intende una deformazione della curvatura dello spaziotempo che si propaga come un’onda. L’esistenza delle onde gravitazionali è stata prevista per la prima volta da Albert Einstein nel 1916 come conseguenza della sua teoria della relatività generale, tuttavia solo recentemente (11 Febbraio 2016) si è riusciti a verificarne l’esistenza in modo scientifico e indiscutibile.
Nel Novembre del 1915, infatti, Einstein presentò al mondo la sua teoria generale della relatività destinata a cambiare drasticamente il modo di percepire la gravità. Secondo la sua teoria, la gravità rappresenta il modo in cui la materia interagisce con lo spaziotempo (flessibile) nel quale è immersa. I corpi celesti di grandi dimensioni muovendosi ne modificano la curvatura, in particolare accelerando producono deboli fluttuazioni nel tessuto dello spaziotempo (minuscole perturbazioni cosmiche): le onde gravitazionali.
Le onde gravitazionali possono essere quindi considerate una forma di radiazione gravitazionale. Al passaggio di un’onda gravitazionale, le distanze fra punti nello spazio tridimensionale si contraggono ed espandono ritmicamente: effetto difficile da rilevare, perché anche gli strumenti di misura della distanza subiscono la medesima deformazione.
In base alle equazioni della Relatività Generale, la velocità delle onde gravitazionali coincide con la velocità della luce. Di conseguenza, le onde gravitazionali sono sempre onde trasversali: le distorsioni provocate localmente dal passaggio di un’onda sono sempre perpendicolari alla sua direzione di propagazione.
Ogni qualvolta si verifica una repentina variazione di massa di enormi corpi celesti si originano onde gravitazionali. Le sorgenti delle onde gravitazionali risultano, quindi, molteplici: l’esplosione di una supernova, la collisione e coalescenza di stelle di neutroni, la formazione o la fusione di buchi neri, la rotazione di stelle di neutroni dalla forma distorta o il residuo di onde gravitazionali generatesi alla nascita dell’universo. Il tipo di segnale emesso da ognuna di queste fonti è unico, per questo a livello teorico è possibile determinarne con esattezza il tipo di fonte e la causa dell’emissione. Tuttavia fino a poco tempo fa, non esistevano rilevatori sufficientemente sensibili per la localizzazione di onde gravitazionali; se anche si registravano dati presumibilmente riconducibili a questi fenomeni, i risultati erano poco chiari e non univoci.
Tutto è cambiato l’11 Febbraio 2016 durante una conferenza stampa a Washington quando David Reitze, direttore esecutivo del laboratorio LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali), ha annunciato: “Ce l’abbiamo fatta. Abbiamo rilevato le onde gravitazionali”.
Interferometro di Michelson.
Questo osservatorio statunitense è stato fondato nel 1984 da Kip Thorne e Rainer Weiss proprio con lo scopo di rilevare onde gravitazionali di qualsiasi natura. Nasce come progetto congiunto tra scienziati del Caltech (California Institute of Technology) e del MIT (Massachusetts Institute of Technology) sponsorizzato dalla NSF, National Science Foundation (all’epoca era costato 365 milioni di dollari).
Attualmente LIGO gestisce due osservatori di onde gravitazionali: l’osservatorio di Livingston e l’osservatorio Hanford. Il primo, situato nei pressi di Livingston, è dotato di un interferometro di Michelson, un gigantesco tunnel vuoto a L, lungo circa 4 chilometri alle cui estremità sono stati posizionati degli specchi sospesi. Il raggio laser nell’interferometro è in grado di rilevare anche piccolissime deformazioni dello spaziotempo causate dalle onde gravitazionali. Il principio di funzionamento di questo strumento si basa sul concetto dell’interferenza, fenomeno dovuto alla sovrapposizione, in un punto dello spazio, di due o più onde. Una figura d’interferenza è, quindi, ottenuta suddividendo, indirizzando su percorsi diversi e facendo convergere un fascio di fotoni. Ma affinché si registri uno sfasamento nel cammino ottico dei due fasci, i due percorsi devono avere lunghezze differenti o avvenire in materiali diversi. Il primo fascio viene riflesso dallo specchio semiriflettente, giunge sullo specchio in alto, qui viene riflesso e incontra il rilevatore. Mentre il secondo fascio prima attraversa lo specchio semiriflettente e successivamente viene riflesso nel rilevatore. Se i cammini dei due fasci differiscono per numeri interi di lunghezze d’onda, l’interferenza costruttiva genera un forte segnale in uscita. Per differenze uguali a un numero dispari di mezze lunghezze d’onda, l’interferenza è distruttiva e il segnale è prossimo a zero.
L’osservatorio Hanford, invece, è situato nei pressi di Richland ed è provvisto anch’esso di un interferometro laser identico a quello dell’osservatorio Livingston. Inoltre ne esiste uno più piccolo, di lunghezza pari 2 km, la cui sensibilità è dimezzata.
Le onde gravitazionali che sono originate a centinaia di milioni di anni luce dalla Terra dovrebbero distorcere i 4 chilometri di spazio tra gli specchi di circa 10−18 m (come confronto, un atomo di idrogeno è circa 5 × 10−11 m)!
Le onde gravitazionali in questione sono state generate dalla collisione di due giganteschi buchi neri lontani 1.3 milioni di anni luce, aventi rispettivamente una massa pari a 36 e 29 volte quella del Sole.
La collisione tra due buchi neri, avvenuta 1 miliardo di anni fa, ha dato vita al primo segnale di onde gravitazionali rilevato da Ligo, da anni alla ricerca delle tracce di queste oscillazioni spazio-temporali.
I ricercatori, infatti, sono stati in grado di registrare tutto il processo: da un primo momento, in cui i due buchi neri ruotavano semplicemente l’uno rispetto all’altro a una velocità di 30 giri al secondo, passando a 20 millesimi di secondo, quando ormai i due corpi ruotavano a una velocità di 250 giri al secondo, e terminando con l’inevitabile collisione finale e fusione dei due buchi. Una volta completata la fusione, si è generato un gigantesco buco nero avente una massa pari a 62 volte quella del Sole, mentre la rimanente massa si è dispersa sotto forma di onde gravitazionali.
L’esistenza delle onde gravitazionali implica l’esistenza del campo gravitazionale anche in essenza di materia, smentendo così il modello newtoniano che vede l’interazione gravitazionale in un’azione a distanza tra corpi massivi.
LISA Pathfinder
Ora il passo successivo per comprendere a pieno questi fenomeni, insieme con la fisica che governa le loro sorgenti, è combinare i dati registrati dal LIGO con quelli che LISA Pathfinder collezionerà nei prossimi mesi. L’ESA è infatti in attesa di iniziare una missione per testare diverse tecnologie che estenderanno lo studio di queste onde anche nello spazio.
LISA Pathfinder è stato lanciato il 3 Dicembre 2015, ha raggiunto la sua orbita operativa in Gennaio e sta effettuando ora i controlli finali prima di iniziare la sua missione scientifica (prevista per il primo Marzo).
Come la luce, le onde gravitazionali coprono un vasto spettro di frequenze, inoltre si ipotizza che diversi oggetti astronomici emettono queste onde in tutto lo spettro. Ora, esperimenti terrestri come LIGO sono sensibili alle onde ad alta frequenza, come quelle generatesi a seguito della fusione di due buchi neri o per via delle stelle di neutroni, con frequenze di 10-1000 Hz.
Per rilevare onde gravitazionali a frequenze più basse, come quelle originatesi dalla fusione di buchi neri supermassicci al centro di galassie massicce, gli scienziati hanno bisogno di indagare variazioni di lunghezza di bracci molto più lunghi – circa un milione di chilometri. Ciò può essere ottenuto solo nello spazio, utilizzando dei raggi laser per monitorare la distanza tra tre masse in caduta libera separate considerevolmente (non è possibile raggiungere una simile distanza sulla Terra).
In questi giorni LISA Pathfinder deve dimostrare che è possibile mettere delle masse-campione in pura caduta libera, senza alcuna perturbazione esterna, raggiungendo un livello di precisione adatto a un osservatorio di onde gravitazionali spaziale.
Il 3 febbraio, le due masse poste al centro della navicella – un paio di cubi d’oro-platino identici con lato 46 mm – sono state svincolate dai meccanismi che invece le mantenevano fisse durante tutta la fase di lancio e di crociera. Il rilascio finale nello spazio avrà luogo la prossima settimana; i due cubi saranno allora totalmente staccati dal veicolo spaziale, non vi sarà nessun punto di contatto, in vista dell’inizio delle operazioni scientifiche.
Per compensare altre possibili forze agenti sui cubi, LISA Pathfinder misurerà la loro posizione e orientamento per aumentare il più possibile l’accuratezza dei rilevamenti e regolare il proprio assetto attraverso minimi aggiustamenti per rimanere sempre centrata su una di esse.
La scoperta e dimostrazione delle onde gravitazionale ha posto l’uomo davanti a un universo del tutto nuovo dove dimensioni parallele, buchi neri o viaggi temporali non sono più solo fantasie, ma possibili realtà.
di Sara Pavesi
Linkografia
https://it.wikipedia.org/wiki/LIGO
https://it.wikipedia.org/wiki/Pulsar
https://it.wikipedia.org/wiki/Onda_gravitazionale
