Trovate le onde gravitazionali

Le  onde gravitazionali, previste 100 anni fa dalla Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, sono state rilevate da osservatori degli Stati Uniti. Importante la partecipazione di ricercatori italiani.

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La rappresentazione delle onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due oggetti di elevatissima massa|Youtube

I ricercatori del Caltech, del MIT e del LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), sono riusciti a rilevare la presenza delle onde gravitazionali di un evento cosmico utilizzando il LIGO, un doppio osservatorio costruito negli Stati Uniti, ad Hanford Site (Washington) e a Livingston (Louisiana).

Si tratta di una importantissima conferma sperimentale di un'ipotesi teorica e alla scoperta hanno collaborato anche i ricercatori italiani e francesi del VIRGO, un rilevatore che si trova nel comune di Cascina (Pisa) del tutto simile a quelli americani. Il rilevatore italiano non ha rilevato le onde solo perché in questi mesi era in fase di ristrutturazione.

 

Lo scopo di questi strumenti, coronato da successo, era quello di cercare e trovare le increspature che si formano nel tessuto spazio-tempo dell’Universo quando due masse si avvicinano tra loro ruotando vorticosamente le une attorno alle altre.

Previste dalla Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, divulgata esattamente 100 anni fa, le onde gravitazionali sono finalmente state catturate.

 

La probabilità che vi sia un errore è di una su 3 milioni e mezzo, ciò significa che i risultati hanno una certezza 5,1 sigma (sigma è un parametro utilizzato dai fisici per indicare la maggiore o minore certezza dei dati a disposizione), la stessa con la quale si annunciò l’esistenza del Bosone di Higgs. Questo vuol dire che la probabilità di essere certi della scoperta è superiore al 99,9 per cento.

 

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L'osservazione. Le onde gravitazionali sono state rivelate il ​​14 settembre 2015, alle 10:50:45 ora italiana (09:50:45 UTC, 05:50:45 am EDT), da entrambi gli strumenti gemelli entro una finestra temporale di coincidenza di 10 millisecondi. 

 

Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari: le 3 masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali.

 

I due buchi neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce. 

Un'illustrazione dello balletto e poi della fusione dei due buchi neri. I due buchi neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce.
Il processo di fusione dei due buchi neri responsabile delle onde gravitazionali rivelate è un evento accaduto a 410 megaparsec da noi, e risale quindi a quasi un miliardo e mezzo di anni fa, quando sulla Terra facevano la loro comparsa le prime cellule evolute in grado di utilizzare l’ossigeno. | LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Il contributo italiano. «La ricerca delle onde gravitazionali ha una lunga storia legata all’Italia», spiega Marco Giammarchi, dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare).

 

«Nasce con Edoardo Amaldi, il quale fu tra i primi al mondo a proporre la ricerca delle onde gravitazionali con la tecnologia “barre criogeniche”. Si utilizzavano barre di metallo di altissima qualità a temperature bassissime che le rendevano sensibili alle vibrazioni delle onde gravitazionali. La metodologia fu sostituita dall’uso del laser con la quale sono stati costruiti gli attuali rilevatori».

 

“Sembrava una sfida impossibile, come sostenuto dallo stesso Einstein, che reputava questi segnali troppo deboli per una possibile rivelazione, invece ci siamo riusciti”, commenta Pia Astone, ricercatrice INFN che ha curato la redazione dell’articolo scientifico sulla scoperta assieme ad altri cinque colleghi di VIRGO e LIGO. “Finalmente possiamo osservare l’universo con occhi diversi, - prosegue Astone - non è un caso, infatti, che la prima misura diretta di ampiezza e fase delle onde gravitazionali sia stata accompagnata da un’altra importante scoperta, quella della fusione di un sistema binario di buchi neri”. 

 

Ma ora chiediamoci:

 

COSA SONO LE ONDE GRAVITAZIONALI?

Non c’è nulla in grado di farci immaginare che cosa siano realmente le onde gravitazionali perché coinvolgono lo spazio-tempo che è una nozione impossibile da rappresentare. 

 

Per conoscerle a fondo è necessario avere nozioni approfondite di relatività generale (che le aveva previste) e di altri complessi concetti di fisica. Ma se proprio si vuole provare a immaginarle si possono pensare come “vibrazioni”. «Così come l’onda elettromagnetica permette di osservare le vibrazioni del campo elettromagnetico, quindi il movimento delle cariche elettriche, l’onda gravitazionale permette di osservare la vibrazione dello spazio-tempo, che nel caso della scoperta odierna è stata indotta da due buchi neri che si sono fusi tra loro a diventare un buco nero più grandi» spiega Giammarchi. «Il fenomeno, che è un evento cosmico, cambia molto velocemente la curvatura dello spazio-tempo e questo produce onde gravitazionali di una certa intensità”, continua Giammarchi.

Le onde gravitazionali si producono ogni volta che due oggetti, che ruotano uno attorno all’altro, accelerano la loro rotazione avvicinandosi, fino a scontrarsi. Anche due persone che dovessero mettersi a girare velocemente una attorno all’altra provocherebbero delle increspature nel tessuto spazio-tempo. Queste però sarebbe talmente piccole da essere impercettibili.

 

Siccome la gravità è una forza  molto debole occorrono oggetti molto massicci, come stelle a neutroni o buchi neri, che ruotino molto velocemente l’uno attorno all’altro, per produrre increspature grandi a sufficienza da essere rilevate.

L’importante risultato, pubblicato sulla rivista scientifica Physical Review Letters, è stato ottenuto, grazie ai dati dei due rivelatori LIGO, dalle Collaborazioni Scientifiche LIGO e VIRGO. Nella foto il rilevatore VIRGO a Cascina (Pisa). Non è stato direttamente coinvolto nel rilevare le onde gravitazionali perché è ancora in fase di aggiornamento.

COME SI FA A RILEVARE UN’INCRESPATURA NELLO SPAZIO?

Poiché lo spazio-tempo viene deformato ovunque, dilatandosi e restringendosi, è molto difficile rilevare le onde gravitazionali prodotte.

 

Ammesso - e non concesso - che si potesse prendere un metro per misurare tali deformazioni, anche il metro subirebbe la deformazione. Esiste però un “metro” che non subisce dilatazioni ed è la velocità della luce. Se lo spazio tra due punti si dilata o si accorcia, la luce impiega più o meno tempo per andare da un punto all’altro. Ed è su questo concetto che lavorano i laboratori come LIGO o VIRGO. Di fatto sono tunnel lunghi anche 4 chilometri al cui interno vengono sparati fasci laser per misurare i cambiamenti infinitesimali  della distanza tra le estremità dei tunnel. Quando arriva un’onda gravitazionale si ha una dilatazione dello spazio in una direzione del tunnel. Misurando le interferenze tra i fasci laser che sono riflessi da un’estremità all’altra è possibile misurare in modo molto preciso se lo spazio tra le estremità si è dilatato o compresso.  

 

LE ONDE GRAVITAZIONALI SONO RARE O MOLTO DIFFUSE?

Poiché fenomeni violenti nella nostra galassia e nell’Universo sono frequenti i fisici ipotizzano che siamo sempre immersi in un mare di onde gravitazionali. Il problema del loro rilevamento sta nell’avere a disposizione strumenti molto precisi. Un’onda gravitazionale che dovesse passare attraverso il nostro corpo lo allungherebbe o lo accorcerebbe di una distanza inferiore al diametro di un protone che corrisponde a 0,000000000000001 metri. E come le increspature di un sasso che cade in un stagno si indeboliscono con la distanza questo succede anche alle onde gravitazionali.

 

QUALE PRECISIONE SI RICHIEDE IN QUESTE MISURE?

La precisione richiesta è straordinaria. Per rilevare la presenza di un’onda gravitazionale si deve essere in grado di riconoscere modifiche di lunghezze dell’ordine di 10-23, che vuol dire 0,00000000000000000000001. È come se un bastoncino lungo mille miliardi di miliardi di metro si accorcia o si allunga di 5 millimetri.

 

COSA C'ENTRA ALBERT EINSTEIN CON LE ONDE GRAVITAZIONALI?

Einstein  aveva dedotto la loro esistenza quando formulò la Teoria Generale della Gravità. Quasi tutto ciò che la teoria aveva predetto è stato dimostrato, mancava la prova dell’esistenza delle onde gravitazionali. Einstein stesso comunque, aveva dubbi sulla possibilità che le avremmo trovate.

 

PRIMA DI QUESTA PROVA NON CI SONO MAI STATI INDIZI DELLA LORO ESISTENZA?

Nel 2014 una ricerca condotta con il telescopio BICEP 2, al Polo Sud, sembrava aver individuato le onde gravitazionali prodotte dal Big Bang, ma si rilevarono essere onde lasciate da polvere cosmica presente nella nostra galassia. «Indirettamente però, esse vennero individuate nel 1974, quando Russel Hulse e Joseph Taylor (la cui scoperta valse il Premio Nobel) studiando due pulsar (stelle di neutroni) in rotazione reciproca calcolarono che se esse avessero emesso onde gravitazionali ciò che avveniva era in perfetta linea con la relatività Generale», spiega Giammarchi. Purtroppo però gli strumenti di allora non permettevano tale rilevamento.

 

LE ONDE GRAVITAZIONALI A COSA POSSONO ESSERE UTILI?

Il loro utilizzo apre una nuova finestra sull’Universo. Fino ad oggi lo abbiamo studiato all’infrarosso, nella luce visibile, nella luce ultraviolette e alle alte energia come raggi x e raggi gamma. Lo abbiamo studiato anche attraverso le onde radio. Ora potrebbe iniziare l’era delle onde gravitazionali. Con esse si potrebbero studiare fenomeni non visibili con altri strumenti. La massima aspirazione potrebbe essere lo studio del Big Bang. La luce e altre radiazioni iniziarono ad emergere solo 300.000 anni dopo il Big Bang, ma con le onde gravitazionali si potrebbe andare a ridosso della “grande esplosione” scoprendo cose che oggi neppure ci immaginiamo.

 

CHI STUDIA LE ONDE GRAVITAZIONALI?

La ricerca sperimentale ha tre punti di forza: il LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, la cui costruzione iniziò nel 2002 sponsorizzato con 620 milioni di dollari dalla National Science Foundation. Si trova a Livingston (Usa). È al LIGO che è avvenuta la recente scoperta.

 

Vi è poi il VIRGO che si trova nel comune di Cascina (Pisa) che è frutto della collaborazione italo-francese tra l’Istituto nazionale di fisica nucleare e il Centre National de la recherche scientifique. Infine vi è il progetto LISA Pathfinder, una missione spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea la cui prima missione è stata lanciata nel 2015 con lo scopo di mettere a punto le tecnologie utili alla vera missione spaziale che si propone di cercare le onde gravitazionali con tre satelliti in orbita terrestre, il cui lancio è previsto nel prossimo decennio.

12 Febbraio 2016 | Luigi Bignami