Un' altra conferma della teoria della relatività generale

Le onde gravitazionali: nuovi occhi sull’universo

· Inserito in Sotto la lente
Filippo Sala

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.

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