Onde gravitazionali: il viaggio nel tempo diventa realtà!

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.

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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.

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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!

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10 Commenti

  1. Franco “nextime” Lanza 13 febbraio 2016
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 15 febbraio 2016
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 13 febbraio 2016
  3. Alessandro Morgia Alessandro Morgia 13 febbraio 2016
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 14 febbraio 2016
  4. piero.patteri 16 febbraio 2016
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 17 febbraio 2016
    • Alessandro Morgia Alessandro Morgia 17 febbraio 2016
  5. Sergio 19 febbraio 2016

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