Le onde gravitazionali: nuovi occhi sull’universo
PARIGI 25 febbraio 2016 — L’11 febbraio 2016 è una data che rimarrà nella storia della scienza, per l’annuncio di un’osservazione estremamente importante: quella delle onde gravitazionali. Prima di capire perché è importante, capiamo cosa è stato osservato.
Le onde gravitazionali sono un fenomeno predetto della teoria della relatività generale di Einstein. La stessa teoria che, da quando è stata pubblicata nel 1915, ha cambiato radicalmente il modo in cui l’uomo comprende lo spazio e il tempo. La relatività generale implica fenomeni che sono stati puntualmente osservati dagli esperimenti ‑altrimenti la teoria sarebbe stata abbandonata- e uno di questi, le onde gravitazionali appunto, ha aspettato un secolo prima di essere osservato la prima volta.
La teoria descrive la forza di gravità come l’interazione di un qualsiasi corpo con massa — il sole, la terra, noi — col tessuto dove questo corpo è immerso, formato appunto da spazio e tempo. Immaginiamo questo tessuto come un tappeto di gomma un po’ elastico: se ci appoggiamo qualcosa di pesante il tappeto si deforma e gli oggetti intorno vengono “attirati’’ verso il corpo pesante.
Se un oggetto pesante viene lanciato sul tappeto, la gomma forma increspature che si propagano nel tappeto. Un po’ come le increspature che si formano quando si lancia un sasso in una superficie d’acqua calma, e che diventano più flebili tanto più si allontanano dal sasso. O come le scosse di un terremoto ‑le onde sismiche‑, che vicino all’epicentro sono molto forti, e che a centinaia di chilometri non si sentono o quasi.
Le onde gravitazionali sono le increspature del tessuto spazio-tempo, e vengono prodotte dai corpi quando accelerano. Anche la terra che orbita intorno al sole ne produce, seppur debolissime: per poter “osservare’’ le onde gravitazionali, bisogna sperare in eventi molto più “violenti’’ e tanto più violenti quanto più sono lontani da noi, perché anche le increspature dello spazio-tempo si indeboliscono quanto più ci si allontana dalla loro causa.
Come si “osserva’’ un’onda gravitazionale?
Se lo spazio-tempo si increspa, la distanza misurata fra due oggetti cambia, come se si tirasse un po’ il tappeto su cui sono appoggiati. Gli strumenti più precisi al mondo per misurare questi cambiamenti di distanza usano luce laser e si chiamano LIGO, negli Stati Uniti, e Virgo, nella vicina Cascina. Sono dei gioielli di tecnologia, frutto di più di venti anni di studi fisici e ingegneristici all’avanguardia: devono accorgersi di uno spostamento delle dimensioni più piccole di un atomo e in più capire che viene da onde gravitazionali e non per esempio dalle vibrazioni causate da un camion che passa nella strada vicina! Tant’è che, venti anni fa, molti erano gli scettici che pensavano che questo giorno non sarebbe mai arrivato.
Nel settembre 2015, però, LIGO si è accorto di uno spostamento del genere e dopo mesi di controlli (una prassi in esperimenti come questo, a maggior ragione vista la posta in gioco) ha potuto annunciare al mondo la scoperta delle onde gravitazionali.
Nel frattempo Virgo — l’esperimento a Cascina — era spento per essere rinnovato e reso più potente, ma i suoi scienziati hanno comunque partecipato all’analisi dei dati di LIGO, andando anch’essi a firmare l’articolo dell’annuncio dell’osservazione.
C’erano ragioni per aspettarsi che le onde gravitazionali non esistessero? Niente affatto: da un punto di vista teorico non si conoscono teorie di gravità che non le predicano e da un punto di vista sperimentale c’eran già altre evidenze, indirette, della loro esistenza. L’importanza scientifica dell’annuncio di LIGO sta nelle porte che questa osservazione apre.
La relatività generale, infatti, non solo predice l’esistenza delle onde gravitazionali, ma permette di capire, dalle proprietà di queste onde, l’evento che le ha generate. Così sappiamo che a generarle sono stati due buchi neri, pesanti come qualche decina di soli, negli ultimi istanti prima di fondersi e formare un unico buco nero ancora più pesante. Per una frazione di secondo hanno rilasciato onde così potenti, che i sensibilissimi strumenti di LIGO se ne sono accorti.
Le onde si sono infatti estremamente affievolite nel percorrere la distanza che separa noi da quei buchi neri, poco più di un miliardo di anni luce. Un evento non solo lontanissimo nello spazio, ma anche nel tempo (più di un miliardo di anni fa!): le onde gravitazionali infatti viaggiano alla velocità della luce e più lontano sono originate più ci mettono ad arrivare noi. La distanza che hanno percorso è molto più grande della nostra galassia e della maggior parte dei corpi celesti che riusciamo a osservare con i moderni telescopi.
Grazie alle onde gravitazionali, possiamo “vedere’’ eventi lontanissimi da noi nell’universo, in un modo in cui non li avevamo mai visti prima!
Tutti i telescopi esistenti vedono infatti stelle, galassie ecc. grazie alla radiazione elettromagnetica che emettono, cioè la luce che vediamo, i raggi X, le onde radio…, le onde gravitazionali danno invece informazioni di un tipo completamente diverso. Ci permettono anche di “vedere’’ corpi che non emettono luce o quasi, come i buchi neri. Sono un po’ come le onde sismiche per i geologi, senza le quali non si saprebbe molto di come sono fatti gli strati interni della Terra.
I due buchi neri visti da LIGO sono solo l’inizio, l’era delle osservazioni con le onde gravitazionali è appena cominciata. LIGO è ancora in attività, Virgo tornerà a fare osservazioni fra qualche mese e nuovi esperimenti nello spazio sono in fase di progettazione e di lancio. Stiamo esplorando l’ignoto e ogni nuova osservazione potrà dare una scossa alla comprensione dei processi che dominano l’universo in cui viviamo.
- Su Filippo Sala (nella foto) Stile libero ha pubblicato un articolo dal titolo Alla Ricerca della materia oscura dell’universo