Cosa sono le onde gravitazionali, scoperta da Nobel

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onde gravitazionali urto buchi neri
Simulazione di due buchi neri che collidono, emettendo onde gravitazionali. (Nasa)

Il 3 ottobre sono stati annunciati i vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2017. Il prestigioso riconoscimento è stato assegnato a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne per il loro contributo alla scoperta delle onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali sono vere e proprie deformazioni dello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce. Lo spazio-tempo si contrae e si dilata, proprio come fanno le onde di altro tipo, a noi più familiari. Vengono prodotte da eventi molto violenti, come nei primi istanti dopo il Big Bang o durante scontri tra buchi neri. Le prime onde gravitazionali mai osservate dall’uomo, e che sono oggetto del suddetto Nobel, sono proprio dovute ad uno scontro tra buchi neri.

Onde gravitazionali Kip Thorne Jessica Chastain
Kip Stephen Thorne fu il consulente scientifico per il film Interstellar (2014), che trattava buchi neri e Wormhole. Qui raffigurato sul set con Jessica Chastain. Non a caso, un robot nel film si chiama Kip. (Kip Thorne via Wired)

DALLA TEORIZZAZIONE ALLA RILEVAZIONE – La teoria della relatività generale di Einstein predice l’esistenza di onde gravitazionali. È un assunto nuovo rispetto alla precedente teoria di Newton, detta della gravitazione universale. Questa stabiliva che l’azione della gravità fosse istantanea, anche quando due corpi fossero separati da enormi distanze. Con ciò si intende dire che, quando la posizione di un corpo celeste cambia, tutti gli altri corpi dell’universo risentono nello stesso istante di questo cambiamento. D’altra parte la relatività generale ci insegna che esiste una velocità massima, quella della luce, oltre la quale nessuna informazione può viaggiare.

Come una barca che naviga in mare, il moto produce onde che si propagano nello spazio-tempo, come deformazioni di esso. Queste onde gravitazionali comprimono e dilatano lo spazio in rapida successione. Se un’onda abbastanza forte ci investisse, diverremmo brevemente più alti e magri, poco dopo più bassi e tozzi, e così via. Fortunatamente per la nostra salute, le onde gravitazionali che giungono sulla Terra sono di intensità microscopica. Questo è il motivo per cui è trascorso quasi un secolo tra la loro predizione e la loro scoperta.

LIGO E VIRGO – Le prime onde gravitazionali furono rilevate dall’esperimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) il 14 settembre 2015. L’annuncio pubblico fu dato insieme alla collaborazione VIRGO nel febbraio successivo. Queste onde furono dovute all’impatto tra due buchi neri, ciascuno con una massa di circa 30 volte il nostro Sole avvenuto ad un miliardo di anni-luce di distanza. Nell’urto venne rilasciata energia equivalente a tre masse solari (E = m c^2): sotto questo aspetto, è l’evento astronomico più violento mai osservato. Se l’energia sprigionata fosse stata emessa in forma luminosa, sarebbe stato a noi visibile anche da quella distanza. L’onda rilevata è stata trasformata in una semplice, ma curiosa, onda sonora dagli scienziati.

I vincitori del Premio Nobel sono i fondatori del citato LIGO, un esperimento americano. L’interferometro VIRGO è invece frutto di una collaborazione italo-francese, alla quale si sono poi aggiunti altri paesi dell’Unione Europea. L’apparato sperimentale di VIRGO si trova a Cascina, in provincia di Pisa.

Virgo onde gravitazionali
L’apparato sperimentale VIRGO, in provincia di Pisa. Sono visibili i due tunnel perpendicolari nei quali passa il laser. (Virgo Collaboration)

Sia LIGO che VIRGO sono interferometri di Michelson di altissima precisione. Essi riprendono l’idea del celebre esperimento di Michelson-Morley di fine ‘800: si tratta di dividere in due un raggio laser, per spararne le sezioni lungo due tunnel posti perpendicolarmente tra loro.  Alla fine di ogni tunnel vi sono degli specchi che riflettono i due laser, i quali tornano perciò indietro. Tornati i raggi al punto di partenza, questi vengono ricombinati ottenendo una figura di interferenza. Una modifica della lunghezza di uno dei due percorsi farebbe cambiare la figura. Questa modifica può avvenire proprio per il passaggio di un’onda gravitazionale. In questo video c’è una fantastica dimostrazione con le onde sonore!

UN ESPERIMENTO COMPLESSO – È molto più facile a dirsi che a farsi. Entrambi i tunnel di VIRGO sono lunghi tre chilometri ed in essi deve essere praticato il vuoto. Si tratta quindi delle più grandi strutture europee con un vuoto artificiale all’interno. Un’eventuale onda gravitazionale modifica la lunghezza del percorso (circa 3 Km) di meno di un milionesimo del raggio di un atomo di idrogeno. Per questo motivo gli specchi posti alla fine del tunnel devono essere mantenuti incredibilmente fermi, pena la contaminazione della misura. Ciò, tra l’altro, vuol dire isolarli da eventuali mini-eventi sismici.

Perché cimentarsi con una impresa di tale difficoltà? Innanzitutto, la scoperta di onde gravitazionali è un’ulteriore prova della correttezza della relatività generale nelle situazioni più estreme.  Tuttavia l’interesse scientifico è volto al futuro. Come fu per il telescopio di Galileo, abbiamo ora una nuova maniera di studiare il cosmo. Non dobbiamo solo limitarci alla luce visibile, i raggi-X, gli infrarossi, ma possiamo studiare la componente gravitazionale.

Analizzando sistemi complessi con le onde gravitazionali, oltre che con la luce, si potrebbe capire molto di più. L’esempio lampante è proprio quello dello scontro tra buchi neri osservato da LIGO: quell’evento violentissimo non ha emesso luce alcuna e mai avremmo potuto averne conoscenza altrimenti.

Sono dottorando in Fisica alla Sapienza di Roma, dove svolgo ricerca su cosmologia primordiale e particelle elementari. Ho lavorato come Teaching Assistant alla UCLA. Sono fondatore di Bunte Kuh e mi occupo della divulgazione scientifica.

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