Ligo e Virgo scoprono un nuovo segnale di onde gravitazionali

I rilevatori di onde gravitazionali americani Ligo e l’italiano Virgo funzionano alla grande. E ora sono in grado di localizzare le fonti con grande precisione e misurare la polarizzazione delle onde gravitazionali. L’osservazione conferma – ancora una volta – le teorie di Einstein.

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La notizia è di quelle importanti per la fisica dell’Universo. I due rilevatori Ligo che si trovano negli Stati Uniti e il rilevatore Virgo di Cascina (Pisa),  hanno misurato un segnale di onde gravitazionali proveniente dallo scontro (tecnicamente si dice coalescenza) tra due buchi neri, stelle così compatte che nemmeno la luce può sfuggire alla loro gravità.

 

L'osservazione dell'evento (in sigla GW170814, clicca qui per vedere la mappa interattiva) è stata registrata da tutti e tre i rilevatori il 14 agosto 2017 con una precisione mai raggiunta prima ed è la prima effettuata da Advanced Virgo, il fiore all’occhiello dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) italiano.

 

Le onde gravitazionali (“increspature” del “tessuto” dello spazio-tempo) sono state emesse durante i momenti finali della fusione di due buchi neri, con masse rispettivamente di circa 31 e 25 volte la massa del Sole, distanti da noi circa 1,8 miliardi di anni luce.  Il buco nero così prodotto ha una massa circa 53 volte quella del nostro Sole: ciò significa che, nella fase di coalescenza, circa 3 masse solari sono state convertite in energia sotto forma di onde gravitazionali.

 

Clicca sull'immagine per ingrandire l'infografica dell'Infn | Infn

Non è la prima volta che registriamo le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di un sistema binario di buchi neri, è la quarta, ma è la prima volta che i due esperimenti (i Ligo e Virgo) hanno funzionato insieme: dall'1 al 25 agosto i due rilevatori di Ligo hanno funzionato in parallelo con Virgo Advanced. I risultati, come si vede dall’annuncio di oggi, non hanno tardato ad arrivare, e a detta dei ricercatori sono clamorosi.

 

Questa straordinaria scoperta è importante per almeno due motivi.

 

SUPER PRECISA. Il primo motivo è la precisione con cui è stata realizzata l’osservazione: "ascoltare" il cosmo con tre interferometri invece di due permette una localizzazione del fenomeno 10 volte migliore. È stato così possibile restringere la regione del cielo che contiene l’evento GW170814 a dimensioni di soli 60 gradi quadrati.

 

Il confronto tra l'osservazione annunciata oggi (GW170814) e le altre rilevate in precedenza. La regione del cielo che contiene l’evento è molto più piccola e ciò permette di sapere con precisione in che zona dell'Universo si trova. Di conseguenza si può osservare l'evento anche con altri strumenti.

Questo fa sì che quando Ligo e Virgo osservano un evento promettente, dopo pochi minuti gli scienziati possono allertare altri astronomi e far puntare altri telescopi e strumenti verso la sorgente delle onde gravitazionali.

 

Nell’evento GW170814, le informazioni di puntamento di precisione hanno permesso a 25 strumenti - a terra e nello spazio - di fare le loro osservazioni. In questo caso, nessuna controparte elettromagnetica è stata identificata, confermando così quanto previsto per i buchi neri. Ma se nel futuro si osservassero le onde gravitazionali causate dall’esplosione di una supernova, sarà possibile studiare gli sviluppi di quest’ultima. E lo stesso nel caso di scontri tra stelle di neutroni che provocano i lampi di raggi gamma.

 

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Che cosa sono le onde gravitazionali (in breve)
Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo, che possiamo immaginare come un gigantesco tappeto di gomma deformato dall'interazione di qualunque oggetto dotato di massa. Ne produce, per esempio, il Sole (nella deformazione dello spazio intorno ad esso "scivolano" le orbite dei pianeti); ne generiamo anche noi quando ci muoviamo, ma affinché queste siano rintracciabili è necessaria l'interazione di oggetti di massa considerevole, come i buchi neri.

Furono previste un secolo fa da Albert Einstein, con la sua Relatività generale. Einstein aveva rifondato la gravità: più che una forza tra oggetti distanti, la considerava un effetto geometrico. L’effetto di un pianeta o di una stella nel “tessuto” dello spazio-tempo, in quest’ottica, è paragonabile a quello di una biglia poggiata su un telo teso, che ne deforma la superficie.

L’anno dopo, Einstein si rese conto che i più violenti eventi cosmici possono causare un’increspatura che si propaga come un’onda sul nostro telo. Quando una porzione di universo è attraversata dalla perturbazione, lo spazio e il tempo si dilatano e si restringono in un modo che è caratteristico del modo in cui si è formata l’onda.
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Polarizzazione. Il secondo aspetto importante riguarda la scoperte che anche le onde gravitazionali sono polarizzate. Virgo non risponde allo stesso modo dei rilevatori Ligo al passare delle onde gravitazionali, perché ha una diversa collocazione e orientazione sulla Terra: non è parallelo agli altri 2 interferometri. Questo implica che si può mettere alla prova un'altra previsione della relatività generale, che riguarda la polarizzazione delle onde gravitazionali.

 

La polarizzazione descrive come lo spazio-tempo viene distorto nelle tre diverse direzioni spaziali di propagazione di un'onda gravitazionale. I primi test, basati sull'evento GW170814, mettono alla prova casi estremi: da un lato, le polarizzazioni consentite dalla relatività generale, e dall’altro, le polarizzazioni proibite dalla teoria di Einstein. L'analisi dei dati dimostra che la previsione di Einstein è fortemente favorita.

Virgo è un interferometro laser con due bracci (i tubi azzurri nella foto), perpendicolari tra loro, ciascuno lungo 3 km. A loro interno, corrono due fasci di luce laser, capaci di rivelare le tenui variazioni di lunghezza dovute al passaggio di un’onda gravitazionale.

Successo degli interferometri. Ora che grazie a Virgo siamo finalmente in grado di ascoltare nel dettaglio la “melodia” delle onde gravitazionali, abbiamo un nuovo e potente strumento per studiare quello che avviene nel cosmo. Si tratta, come dicono gli astronomi, di un’altra finestra osservativa, molto diversa da quelle attuali come luce visibile, onde radio, raggi infrarossi, raggi gamma. Permetterà di studiare i buchi neri e di guardare più lontano nel cosmo, perché le onde gravitazionali non sono attenuate dalla materia che incontrano, a differenza della luce. Potremo capire meglio che cosa accade dentro a pulsar e supernovae. E cosa è successo quando, con il Big Bang, è nata la gravità stessa.

 

Siamo andati a visitare Virgo Advanced. Il reportage, la spiegazione di come funzionano gli interferometri e un modello in realtà aumentata di come si osserva un'onda gravitazionale lo trovi sul numero di Focus in edicola.

 

Appuntamento nel 2018. «È stato meraviglioso vedere un primo segnale di onde gravitazionali nel nostro nuovo rivelatore, dopo solo due settimane dall’inizio della presa dati», ha commentato Jo van den Brand, coordinatore della collaborazione di Virgo. «Questa è una grande ricompensa dopo tutto il lavoro svolto negli ultimi sei anni per la realizzazione del progetto Advanced Virgo, che ha consentito di potenziare il nostro rivelatore.»

«Questo è solo l'inizio delle osservazioni con la rete globale di interferometri realizzata grazie al lavoro congiunto di Virgo e Ligo», ha spiegato David Shoemaker (MIT), coordinatore della collaborazione scientifica LIGO. «Con il prossimo ciclo di attività osservative, previsto per l'autunno del 2018, possiamo aspettarci rivelazioni di questo tipo ogni settimana o anche più spesso».

 

L’articolo che descrive i dettagli di questa scoperta è stato accettato per la pubblicazione dalla rivista Physical Review Letters (qui si possono già consultare: https://dcc.ligo.org/P170814 e https://tds.virgo-gw.eu/GW170814) e apparirà domani su arXiv. 

 

DOMANDE E RISPOSTE SULLE ONDE GRAVITAZIONALI

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 conoscere il tema sono necessarie nozioni approfondite di relatività generale (che le aveva previste) e di altri complessi concetti di fisica. Ma se proprio si vuole provare, 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 insieme per dare origine a un buco nero più grande.

 

Il fenomeno, che è un evento cosmico, cambia molto velocemente la curvatura dello spazio-tempo e questo produce onde gravitazionali di una certa intensità.

 

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... 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.

 

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 di poter prendere un metro per misurare tali deformazioni, anche il nostro metro subirebbe la deformazione. Esiste però un “metro” che non subisce dilatazioni: 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.


Le principali sorgenti di onde gravitazionali sono:


Stelle di neutroni. Sono stelle estremamente dense, che girano su se stesse a enorme velocità. Le irregolarità sulla loro superficie provocano onde gravitazionali periodiche nel tempo.

Sistemi binari. Sono composti da due stelle compatte (stelle di neutroni o buchi neri) che orbitano l’una attorno all’altra. A ogni rivoluzione emettono onde gravitazionali e perdono un po’ di energia, finché si scontrano. Producono onde che aumentano nel tempo per frequenza e intensità, fino al “botto finale”: la fusione (foto a sinistra, una simulazione dello scontro tra due buchi neri).

Supernovae. Stelle arrivate a fine vita che collassano, producendo anche onde gravitazionali sotto forma di un “burst”, un’onda breve e intensa.

 

Big bang. È possibile che nel cosmo resti una “eco” gravitazionale della grande esplosione iniziale, il Big Bang. Sarebbe un segnale distribuito in modo casuale su tutto il cielo e ancora più debole delle altre onde gravitazionali.

Come tutte le onde, infatti, anche quelle di Einstein possono essere più acute o più gravi. Le esplosioni di supernove, che sono stelle giunte alla fine della loro vita, producono onde dalle frequenze più alte, come le trombe e i violini in un’orchestra. I buchi neri che si scontrano producono onde più “gravi”, come violoncelli e tromboni.

 

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 QUESTE PROVE 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. 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).

 

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.

27 Settembre 2017

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