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Registrate le onde gravitazionali … una scoperta epocale per tutta l’Umanità

Reading Time: 7 minutes

livello medio
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ARGOMENTO: SVILUPPI DELLA SCIENZA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: FISICA
parole chiave: onde gravitazionali

 

Once upon a time
Molto tempo fa, nel profondo spazio tra galassie lontane, due enormi buchi neri si scontrarono. La loro collisione inviò un brivido attraverso l’universo, creando delle increspature nel tessuto delle onde gravitazionali dello spazio tempo. Non stiamo parlando dell’ultimo episodio di Star Wars ma di un evento realmente accaduto miliardi di anni fa.

02_new_wave.adapt.590.1La scoperta è sbalorditiva ed è la prova che le previste onde gravitazionali esistono veramente. Ricercate per oltre 40 anni con il Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), una struttura composta da  giganteschi bracci tra Hanford (Washington) e Livingston (Louisiana) dimostrerebbero che la teoria di Einstein è vera. Sebbene le prime voci di un loro rilevamento erano trapelate da mesi, l’annuncio ufficiale è avvenuto l’11 febbraio a Washington. “Ce l’abbiamo fatta!”, dice David Reitze, fisico e direttore esecutivo del LIGO presso il California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena. Albert Einstein aveva predetto l’esistenza delle onde gravitazionali quasi 100 anni fa ma solo ora siamo riusciti ad intercettare un’onda che ha contratto lo spazio facendo espandere e contrarre la Terra di 1/100.000 di un nanometro, circa la larghezza di un nucleo atomico. L’osservazione conferma la teoria di Einstein della gravità, la teoria generale della relatività, con un rigore senza precedenti e fornisce la prova che esistono buchi neri.

LIGO signalGli orologi del LIGO hanno misurato questo minuscolo stiramento del tempo tramite  due grandi strutture  a forma di L (interferometri) con braccia lunghe quattro chilometri. Gli specchi collocati alle loro estremità formano una lunga “cavità risonante,” in cui la luce laser di una precisa lunghezza d’onda rimbalza avanti e indietro. All’incrocio dei due bracci i due fasci possono sovrapporsi.

Il meccanismo può essere descritto in questo modo. Se le onde dovessero viaggiare distanze diverse, lungo le braccia dell’interferometro, finirebbero fuori fase e interferirebbero reciprocamente come le onde in uno stagno. Ciò causerebbe che una parte della luce attraverserebbe fuoriuscire un gate, tecnicamente chiamato “porta scura”, in sincronia con le ondulazioni dell’onda. Grazie all’interferenza generata, i ricercatori avrebbero cosi’ la possibilità di confrontare le relative lunghezze dei due bracci e captare l’onda gravitazionale passare. Per poter individuare questi spostamenti estremamente piccoli, gli scienziati devono ridurre tutte  le vibrazioni (come quelle causate da onde sismiche, il ronzio del traffico ed anche il frangersi delle onde sulle coste lontane). Un problema non semplice da risolvere. Da qui la necessita di aggiornare il sistema per poter lavorare su segnali della durata di millesimi di secondo.  Ma veniamo alla cronaca di questo epocale evento. Il 14 settembre 2015, alle 02:50 ora di Washington, nel laboratorio Livingston in Lousiana (dove fu installato il primo interferometro LIGO) fu rilevato un segnale. L’oscillazione ad una frequenza di 35 cicli al secondo (Hertz) accelerò fino a 250 Hz prima di scomparire dopo 0,25 secondi. Era la prova dell’esistenza di un onda gravitazionale.

Ma cosa sono le onde gravitazionali?
02gravitational_wave.adapt.590.1Le onde gravitazionali possono essere immaginate come  increspature dello spazio-tempo. Esse erano state ipotizzate nella teoria della relatività di Einstein del 1915 ma la prova della loro esistenza non era mai stata osservata. Secondo la teoria di Einstein, le propagazioni di queste onde provoca l’espansione e la contrattura dello spazio-tempo. Per capirci, immaginiamo che un oggetto nello spazio possa distorcere lo spazio-tempo nel proprio intorno. Visivamente possiamo vederlo come un palla (l’oggetto) al centro di un telo (lo spazio). Più grande sara’ la sua massa, maggiore sarà la distorsione spazio-temporale che determinerà. Per creare delle onde gravitazionali è però necessario avere delle masse gigantesche  come quelle delle galassie o dei misteriosi buchi neri. Questo è ancora più evidente se esiste una asimmetria nella massa: ed è quello che è avvenuto nello scontro tra i due buchi neri che hanno causato l’evento.

03_new_wave.adapt.1190.1Le simulazioni al computer hanno rivelato che l’onda registrata è stata generata da due oggetti, 29 e 36 volte più massicci di un buco nero (di fatto energia gravitazionale pura). Circa un miliardo di anni fa, due buchi neri collassarono l’uno contro l’altro. La loro collisione creo’ una perturbazione gravitazionale attraverso l’universo, con increspature nel tessuto dello spazio-tempo simili a quelle causate da un sasso lanciato in uno stagno. I due buchi neri formavano una coppia, nel gergo scientifico un sistema binario in rotazione l’uno con l’altro. Ognuno aveva una massa diversa  (36 e 29 volte quella del Sole). Il modelling mostra che il buco nero generatosi dalla collisione ammonta ora a 62 masse solari ovvero tre 3 masse solari inferiore alla somma dei buchi neri iniziali. La massa mancante nell’urto si è trasformata in onde gravitazionali.
I due buchi neri  si avvicinarono ad una velocità prossima a quella della luce fino alla loro collisione che produsse un buco nero con il rilascio di onde gravitazionali captate dall’interferometro LIGO.  Il segnale, della durata di 7 millesimi di secondo, ha secondo i fisici un valore di “certezza” statistica altissimo (sopra i 5 sigma). Gli scienziati del LIGO, prima di rivelare l’evento, hanno dovuto escludere ogni alternativa compresa la possibilità che la lettura fosse un errore clamoroso.

Un pò di storia
Nel 1974, gli astronomi statunitensi Russell Hulse e Joseph Taylor avevano scoperto una coppia di stelle di neutroni che ruotavano intorno a loro emettendo onde radio, chiamate pulsar. Cronometrando le pulsar, Taylor e collega Joel Weisberg dimostrarono che esse  ruotavano molto lentamente in un vortice verso l’altro, come se stessero  irradiando onde gravitazionali.  Nel passato i fisici avevano studiato gravità solo in condizioni in cui la forza era relativamente debole. Ora studiando le onde gravitazionali possono spingersi oltre.

Con il fenomeno della fusione di un buco nero, la relatività generale ha superato il primo test, afferma Rainer Weiss, un fisico presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) a Cambridge. “La teoria di Einstein è esattamente confermata dal segnale

01_new_wave.adapt.590.1La rilevazione di onde gravitazionali segna il culmine di una ricerca decennale che ha avuto inizio nel 1972, quando Weiss aveva scritto un documento che illustrava il disegno di base del LIGO. Nel 1979, la National Science Foundation aveva finanziato la ricerca ed il lavoro di sviluppo sia al MIT sia al Caltech, e la costruzione LIGO iniziò nel 1994. Gli strumenti incominciarono a raccogliere dati nel 2001 ma senza risultati apprezzabili.

Dalla previsione alla realtà: una storia di ricerca di onde gravitazionali

1915 – Albert Einstein pubblica la teoria generale della relatività, spiega la gravità come la deformazione dello spazio-tempo in massa o energia

1916 – Einstein predice oggetti massicci vorticosi che causano onde nello spazio-tempo provocando increspature-gravitazionali

1972 – Rainer Weiss del Massachusetts Institute of Technology (MIT) a Cambridge propone un metodo ottico indipendente per la rilevazione delle onde

1974 – Gli astronomi scoprono una pulsar che orbita intorno a una stella di neutroni che sembra rallentare a causa di radiazioni gravitazionali

1979 – National Science Foundation (NSF) assegna fondi al California Institute of Technology di Pasadena ed al  MIT per sviluppare la progettazione del LIGO

1996 – Inizia la costruzione del rivelatore di onde gravitazionali VIRGO in Italia, che diventa operativo nel 2007. VIRGO è dotato di due bracci lunghi tre chilometri, uno situato nel comune di Cascina (Pisa), l’altro in località Santo Stefano Macerata.

2002-2010 – LIGO non ottiene nessuna rilevazione delle onde gravitazionali

2007 –  LIGO e VIRGO decidono di condividere dati formando un’unica rete globale di rivelatori di onde gravitazionali

2015 – Advanced LIGO inizia la sua ricerca nel mese di settembre

2016 – Il 11 febbraio, NSF e la squadra LIGO annunciano il rilevamento di onde gravitazionali

Come vedete in questa scoperta c’è anche un ruolo italiano … mi riferisco a VIRGO, la stazione interferometrica italiana sviluppata per la rilevazione di segnali a bassa frequenza come  quelli delle pulsar.  Al momento, VIRGO è in fase di upgrade, per arrivare a un Advanced VIRGO entro la fine dell’anno. Ma il team di VIRGO non è fermo, ricevendo i dati inviati dai colleghi del  LIGO, li ha analizzati confermando quello che avevano trovato i colleghi statunitensi.

Ma cosa avverrà  in futuro?
Gli interferometri (due costruiti in America ed uno in Italia) sono sufficienti per determinare con completezza tutti i parametri di un’onda gravitazionale ma ne stanno nascendo nuovi in in India (INDIGO), in Giappone (KAGRA) ed in Australia, in modo da effettuare con certezza sia la caratterizzazione dell’onda escludendo tutti i rumori possibili. Attraverso LIGO, oltre all’intercettazione delle onde gravitazionali, è stata rivelata la coalescenza (unione) di buchi neri e questo ha permesso di dimostrarne l’esistenza. Inoltre, è stata confermata in pieno la teoria della Relatività generale. Si apre di fatto una nuova era, usciremo  dai limiti dell’elettromagnetico per sfruttare le onde gravitazionali e potremo osservare l’evoluzione dell’Universo dall’inizio fino a circa 400 mila anni dopo il Big Bang.

Conclusioni
Che cosa comporta questa scoperta per l’Umanità? Pensiamo a tutte le innovazioni tecniche che sono derivate dalla scoperta delle onde elettromagnetiche, come i raggi X per la medicina e le onde radio per le comunicazioni. Ora che siamo in grado di rilevare le onde gravitazionali abbiamo uno strumento nuovo per studiare l’Universo. Inoltre ora sappiamo che i buchi neri esistono davvero. Potremo studiarne i meccanismi di associazione e la possibilità di effettuare i “ponti” di Einstein-Rosen, ovvero i cunicoli spazio-temporali, chiamati anche wormhole, “scorciatoie” per navigare da un punto all’altro dell’universo. L’identificazione delle onde gravitazionali potrà  farci comprendere il loro funzionamento e potremo intraprendere viaggi spaziali come la astronave di Star Trek tra universi paralleli. Forse viaggiare anche nel tempo e cambiare la storia.

Fantascienza? Il futuro è dietro l’angolo … ma questa scoperta ha aperto una nuova porta.

 

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