La collisione tra due buchi neri avvenuta un miliardo di anni fa ha permesso all'interferometro LIGO di catturare quel segnale tanto atteso relativo all'onda gravitazionale. Il segnale, di durata complessiva della frazione del secondo ad un alto valore di "certezza" statistica (sopra i 5 sigma), non solo ha confermato la teoria di Einstein ma ha dato una prova dell'esistenza dei buchi neri, avete letto bene, i buchi neri e i cunicoli spazio-temporali. L'energia misurata è stata enorme, pari a circa 3 masse solari (1 massa solare è circa 1030 Kg). L'esistenza di buchi neri, onde gravitazionali, segnali dall'universo, la fantascienza comincia a diventare scienza!
Introduzione
Dopo 100 anni di ricerche, un gruppo internazionale di fisici (tra cui americani ed italiani) ha confermato l'esistenza delle onde gravitazionali di Einstein, questa grande scoperta segna l'inizio di una nuova era per la fisica. Si tratta di un evento considerevole, perché non solo migliora la nostra comprensione di come funziona l'universo, ma apre anche un nuovo modo di studiare la fisica e, soprattutto, numerose future applicazioni tecnologiche. Le intense accelerazioni di masse, secondo la teoria generale della relatività, emettono onde gravitazionali: ovvero, distorsioni di spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce. Le onde gravitazionali sono l'ultima grande predizione della teoria generale della relatività di Einstein che doveva essere confermata, e la scoperta aiuterà a capire come l'universo è modellato. Molto tempo fa, esattamente 1 miliardo di anni fa, due buchi neri si sono collassati. La collisione ha inviato un "brivido" gravitazionale attraverso l'universo: ovvero increspature nel tessuto dello spazio-tempo. Cinque mesi fa, questi segnali sono passati sulla terra e, per la prima volta, i fisici sono riusciti a rilevarli. I due buchi neri formavano una coppia, nel gergo scientifico un sistema binario in rotazione l'uno con l'altro. Ognuno aveva una massa di 36 e 29 volte quella del Sole (Figura 1). Si sono avvicinati ad una velocità prossima a quella della luce, man mano il segnale relativo diventava più acuto e la collisione ha prodotto un buco nero con rilascio di onde gravitazionali. In parole povere, è come avere due bolle di sapone così vicini tale da formarne una.
Figura 1: Evento dell'onda gravitazionale pubblicato su Physics Review Letter
Che cosa sono?
Le onde gravitazionali sono increspature spazio-temporali, con la teoria della relatività di Einstein pubblicata nel 1915 si erano già fissate le fondamenta. In poche parole, Albert aveva ragione! Le propagazioni di queste onde espandono e contraggono lo spazio-tempo. Un oggetto posizionato nello spazio, distorce lo spazio-tempo nel proprio intorno. Più l'oggetto è massiccio, maggiore sarà la distorsione spazio-temporale che determina l'interazione tra corpi celesti, come per esempio il sole con la terra. Per disporre di onde gravitazionali è necessario avere masse gigantesche, come galassie o buchi neri e che ci sia asimmetria nella massa: classico esempio è proprio la collisione di buchi neri. La propagazione è esattamente uguale a quella classica che abbiamo imparato nei libri di scuola quando buttiamo un sassolino nel lago: man mano che le onde avanzano distorcono lo spazio-tempo modificando tutto ciò che c'è nell'intorno. L'ampiezza è veramente piccola, ecco perchè si necessitano di sistemi interferometrici molto sofisticati con bassissimi livelli di rumore. Quello che prima era solo teoria, come i buchi neri, ora è realtà; sono la misura e analisi di questi segnali ci potrà dare un'indicazione chiara delle caratteristiche dei buchi neri e del relativo significato. Le onde gravitazionali più forti sono prodotte da ulteriori eventi catastrofici come le supernovae ed i resti delle radiazioni create dalla nascita dell'universo stesso. Solo? Chi ci dice che non sono anche segnali provenienti da altre galassie per darci delle informazioni? Anche se le onde gravitazionali sono state previste nel periodo 1915/1916, una prova concreta della loro esistenza la si è avuta nel 1974, 20 anni dopo la morte di Einstein. In quell'anno, due astronomi scoprirono una pulsar binaria: due stelle estremamente dense e pesanti in orbita l'una intorno all'altra. Questo era esattamente il tipo di sistema che, secondo la relatività generale, doveva irradiare le onde gravitazionali. Sapendo che questa scoperta poteva testare finalmente la previsione di Einstein, gli astronomi cominciarono a misurare il cambiamento nel tempo del loro periodo. Dopo molti anni di osservazione, si arrivò alla conclusione che le stelle si stavano avvicinando tra loro: una considerazione scientifica esattamente come prevista dalla relatività generale. La misura del settembre 2015 da parte di LIGO, invece, è una misura diretta dell'onda gravitazionale derivante da un buco nero. Il buco nero, ovvero una regione spazio-tempo con un forte campo gravitazionale, tutto ciò che è all'interno rimane tale, nulla può sfuggire, nemmeno la luce che resta confinata al suo interno.
Fanta...Scienza
Onore a tutti quelli che hanno contribuito alla ricerca di questi segnali impercettibili, personalmente ho avuto l'onore di partecipare alla collaborazione Virgo con attività di ricerca opportunamente documentata. Vedere realizzare un esperimento nella sua impressionante tecnologia, è troppo bello! Sentire il suono (chirp sound) di questa onda gravitazionale...lascio a Voi lettori immaginare (Video 1).
Video 1: Il "rumore" dell'onda gravitazionale
Una delle più importanti conseguenze scientifiche di rilevamento di una fusione da buco nero è la conferma che questi cunicoli spazio-temporali esistono davvero. L'esistenza ha una serie di risvolti astronomici che portano ad una nuova era nella fisica. Le onde gravitazionali sono simili alle onde sonore che viaggiano nello spazio alla velocità della luce. Fino ad oggi l'umanità è stata sorda per l'universo. Improvvisamente sappiamo come ascoltare, e l'universo ha parlato e abbiamo capito. L'esperimento LIGO è simile a quello di Virgo, un interferometro a due bracci (tipo antenna) lungo circa 4 km dove un laser viaggia avanti e indietro rilevando piccole variazioni spazio-tempo (Figura 2). La tecnologia è veramente molto sofisticata, personalmente mi sono occupato di studi inerenti gli effetti termici del laser per migliorare la sensibilità della rilevazione (link per approfondire). Molto importante è la stabilizzazione del laser per ridurre gli effetti di rumore che possano essere dannosi per la rilevazione dell'onda gravitazionale. Il 14 settembre 2015 nel laboratorio Livingston in Lousiana (dove è installato il primo interferometro LIGO), è stato rilevato il segnale e 7 ms dopo è stato rilevato nell'altro interferometro a Hanford (dove è installato il secondo interferometro LIGO), circa 4000 km di distanza tra i due, il che suggerisce che era stata causata da un'onda gravitazionale che stava attraversando la Terra. I dati hanno anche mostrato che le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce, risultato previsto dalla relatività generale.
Figura 2: Layout dell'interferometro. Il photodetector (fotodiodo) rileva la variazione di segnale dovuta all'onda gravitazionale: tecnicamente si parla di figura di interferenza
Proprio come quando acceleriamo una particella carica, con relativa produzione di onde elettromagnetiche, accelerando una massa enorme produciamo una radiazione gravitazionale: questa energia viene persa dal sistema sotto forma di onde gravitazionali. In teoria, qualsiasi massa in movimento produce onde gravitazionali di diversa intensità (e frequenza). Ma a differenza di onde elettromagnetiche che viaggiano attraverso lo spazio-tempo, le onde gravitazionali rappresentano una ondulazione del tessuto dello spazio-tempo. Tali onde viaggiano dalla loro fonte in tutte le direzioni alla velocità della luce.
Conclusioni
Che cosa significa per noi? Pensiamo a tutte le innovazioni che sono venute grazie alla scoperta dei raggi X e le onde radio: ora che siamo in grado di rilevare le onde gravitazionali, stiamo per avere un modo tutto nuovo di vedere e studiare l'Universo. Una cosa è certa, i buchi neri esistono e viaggiarci implicherebbe tante cose e tante riflessioni scientifiche e non, dai viaggi nel tempo a considerazioni sull'espansione dell'universo. In una intervista a tre con Newton, Einstein e Maxwell avevamo messo in risalto le scoperte einsteniane e l'importanza delle onde gravitazionali. Perchè ci sono questi buchi neri? Che cosa nascondono? I buchi neri sono associati alla possibilità di effettuare "ponti" spazio-temporali (Einstein-Rosen): le onde gravitazionali possono darci sicuramente delle informazioni a riguardo. I cunicoli spazio-temporali ci permettono di intraprendere viaggi spaziali tra universi paralleli o passare da un istante temporale ad un altro. Che dire, aspettiamoci un bel ritorno al futuro, o al passato? Non resta che aspettare!
Magari evitiamo di fare titoli spazzatura che richiamano viaggi nel tempo e simili?
I buchi neri sono stati associati a cunicoli spazio-temporali. La rivelazione delle onde gravitazionali ha dimostrato l’esistenza dei buchi neri….
A questo punto non ci resta che aspettare che cosa vedra’ l’interferometro Virgo (a settembre era in fase di upgrade), e poi gli altri esperimenti come Lisa. La cosa si fa interessante.
Bellissimo articolo, molto interessante. Legare la scoperta delle onde gravitazionali ai viaggi nel tempo è una conseguenza del fatto che l’esistenza dei buchi neri o almeno della coalescenza di due corpi cosmici massicci è stata riconosciuta. Dalla teoria della relatività generale la presenza di un buco nero in rotazione su se stesso potrebbe essere basato su una metrica tale da permettere i viaggi spazio-temporali e quindi anche nel tempo passato o futuro. Questa scoperta risveglia il piccolo Einstein che è in noi, e cioè la curiosità che è alla base della natura umana!
Qualche informazione proveniente da galassie remote ? Per dirci cosa ? Un po’ fantasioso…ma arriveremo a capire bene questa fonte gravitazionale dell’universo.
`È un bell’ articolo, con molte informazioni accurate sull’ esperimento e la modalità di osservazione di questo evento straordinario. Perché lordarlo con le fesserie dei viaggi nel tempo?
Anche se alcune soluzioni delle equazioni della relatività contemplano punti di convergenza di linee delle coordinate temporali, e quindi il passaggio dall’ una all’ altra, e i buchi neri potrebbero essere tra questi punti singolari (reminiscenze dell’ esame di teorie relativistiche di 40 anni fa), le distorsioni della metrica dello spazio tempo ben prima di avvicinarsi a una singolarità causerebbero un tale sfracello nella struttura degli atomi da rendere insensato anche pensare un viaggio, partendo comunque da una stazione a migliaia di anni luce da noi. Già un viaggio su una delle più vicine stelle di neutroni, ben lontane dall’ essere una singolarità spazio-temporale e distanti qualche centinaio di anni luce da noi, vi vedrebbe all’ arrivo ridotti a una pappa indistinta di quark ed elettroni
Comunque, al limite parlerei più di fantascienza che di fesserie. Ci sono tante scoperte che prima erano considerate fantascientifiche, come i buchi neri o il semplice fatto di volare da un continente ad un altro. Prima della scoperta delle onde gravitazionali, i buchi neri erano “oggetti” fantascientifici, ora non lo sono più. L’associazione con i cunicoli temporali è pura teoria: studi di brillanti astrofisici che prevedevano, oltretutto, anche l’esistenza dei buchi neri. Non resta che aspettare per capire come andrà a finire. Per esempio, nel trasporto quantico (che in un certo senso può essere legato al fatto di attraversare o meno i cunicoli temporali) ci sono stati molti progressi con articoli scientifici che mettono in risalto i risultati sperimentali.
Sino a che la fisica sperimentale non verifica una teoria o una sua parte o una sua conseguenza non possiamo dire molto. Quando si parla di viaggi nello spazio-tempo vuol dire che si viaggia nella metrica quadridimensionale e la metrica Newtoniana va messa da parte, cosa non facile per chi non conosce la struttura formale e analitica della Relatività dalla Ristretta alla Generale. Questo ovviamente porta a delle inesattezze concettuali. La scoperta delle onde gravitazionali non porta subito alla possibilità di viaggiare nello spazio-tempo ma conferma fortemente la relatività Generale, la quale oltre a prevedere le onde gravitazionali prevede molte altre cose tra cui i viaggi nello spazio-tempo e in casi particolari anche la possibilità di viaggiare avanti e indietro nel tempo stesso che noi conosciamo, sempre tenendo conto della quadridimensionalità. L’osservazione delle onde gravitazionali rafforza anche questi ultimi concetti. Ad esempio c’è un bellissimo caso delle equazioni di campo di Einstein in cui la “singolarità” o volgarmente “punti singolari” o come volete non sono semplicemente delle linee o punti anche se raffigurati in una metrica semplificata in tre dimensioni, ma sono delle vere e proprie aree o volumi percorribili. Per generarle si ha bisogno di una sorta di “motore”: un buco nero rotante dove, in queste singolarità complesse, lo spazio e il tempo si invertono! A questo punto possiamo dire che siamo certi dell’esistenza dei viaggi nel tempo? assolutamente no ma siamo sempre più convinti e sicuri che la teoria della Relatività Generale è sempre più la teoria che più di tutte descrive meglio gli effetti gravitazionali del nostro universo e non solo. Quindi non possiamo saperlo ma magari in futuro i viaggi iperdimensionali potrebbero essere possibili! Ci disintegreremo nell’effettuarli? questo è ancora tutto da vedere, del resto il concetto di singolarità è tutto ancora da definire in modo specifico: non basta la Relatività Generale per questo, ma ci vorrà una teoria superiore che la perfezionerà/completerà e sicuramente ci sarà! Abbiate fede!
una cosa che non capisco e voi sicuramente avrete compreso:
queste onde gravitazionali deformano lo spazio -tempo, quindi dispongono di una energia. Questa energia da cosa deriva?
Se “l’increspatura” dello spazio-tempo riesce a ” muoversi” nello spazio alla velocità della luce, significa che ha una enorme energia?
Mi spiegate per favore?
Ciao Sergio, prova a leggere questo mioarticolo e vedi se trovi la risposta. Fai attenzione alla massa e a come l’onda gravitazionale viene generata. Link: http://it.emcelettronica.com/onde-gravitazionali-teoria-ed-aspetti-tecnico-scientifici