Onde gravitazionali: pieghe nello spazio-tempo

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Il premio Nobel 2017 per la fisica è stato recentemente assegnato agli astrofisici Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne, premiati per i “loro contributi decisivi legati all’osservatorio LIGO e alla prima rivelazione delle onde gravitazionali“. Ma cosa sono queste “onde” dallo strano nome che ricorda una delle armi di Goldrake o Mazinga? E perché sarebbero così speciali da meritare un premio Nobel?

La loro importanza risiede nel fatto che non hanno a che vedere con le onde elettromagnetiche, ovvero la radiazione che solitamente osserviamo dalle sorgenti extraterrestri sotto forma di luce a diverse energie, dai raggi gamma e X alle onde radio, passando dalla luce visibile. Le onde gravitazionali, predette dalla teoria della Relatività di Einstein, sono invece una sorta di pieghe nello spazio-tempo. Immaginiamo che lo spazio sia un lenzuolo ben steso: ogni volta che su questo lenzuolo mettiamo una massa, come ad esempio una palla da bowling, questo si affosserà creando una sorta di imbuto con la massa al centro. Se adesso lanciamo una biglia di vetro sullo stesso lenzuolo, questa invariabilmente verrà attirata dalla palla da bowling, come la pioggia in una buca dell’asfalto. La stessa cosa avviene nello spazio: la presenza di una massa importante, come ad esempio quella di una stella, attrae i corpi verso di sé come la palla da bowling sul lenzuolo.

Adesso complichiamo la situazione sul nostro lenzuolo, e aggiungiamo una seconda palla da bowling, facendo accelerare le due palle l’una vicino all’altra. Quello che si ottiene è che sul lenzuolo si formano delle pieghe, che si muovono come onde su uno stagno tanto di più quanto più rapide e vicine si muovono le due palle. La stessa cosa avviene nello spazio quando due masse accelerano l’una vicina all’altra, producendo “pieghe” chiamate onde gravitazionali. L’effetto di queste onde è di dilatare e comprimere al loro passaggio lo spazio circostante, ma l’effetto è solitamente così piccolo che serve qualcosa di molto, molto massiccio e veloce per produrre un effetto misurabile.

Tuttavia, anche le le strutture più dense nell’Universo, come due Buchi Neri che si avvicinano sempre più a velocità vicine a quelle della luce prima di fondersi, producono onde che sono difficilissime da misurare: producono effetti microscopici, pari a variazioni di 5 mm in una sbarra lunga mille miliardi di miliardi di metri! E il bello è che non possiamo neppure utilizzare un righello per misurarla, perché anche il righello si allungherebbe e accorcerebbe al passaggio dell’onda gravitazionale.

Onde gravitazionali Onde gravitazionali: pieghe nello spazio-tempo GW170814 signal

Gli astronomi, che tendono ad essere abbastanza furbi e a non scoraggiarsi alle prime difficoltà, hanno allora pensato di utilizzare al posto del righello la luce: dal momento che questa si muove sempre alla stessa velocità, se lo spazio tra due punti si allunga la luce impiegherà più tempo per andare da un punto e l’altro, mentre se lo spazio si accorcia impiegherà un tempo più piccolo. Questo è il principio che viene utilizzato negli esperimenti LIGO (negli Stati Uniti) e VIRGO (da poco operativo a Cascina, vicino a Pisa), detti interferometri: dei potenti fasci laser vengono spediti avanti e indietro per decine di volte contro degli specchi in dei tunnel sotto vuoto spinto lunghi alcuni km, e vengono registrate le differenze nei tempi di percorrenza, e quindi nella lunghezza del tratto di strada percorso dalla luce. Per osservare le onde gravitazionali recentemente scoperte si è dovuto poter misurare spostamenti di 10−21 metri (come confronto, un atomo di idrogeno è circa 5×10−11 m!!). Come potete immaginare, variazioni così piccole possono essere prodotte anche da molteplici altri effetti, come fenomeni microsismici nella crosta terrestre o passaggi di TIR sulla FI-PI-LI, per cui l’analisi dei dati è particolarmente delicata e complessa per eliminare tutte le possibili fonti di contaminazione e riconoscere la forma attesa di un’onda gravitazionale contro il rumore di fondo. Un po’ come cercare di ascoltare una conversazione tenuta a voce molto bassa in mezzo a uno stadio pieno di tifosi festanti per un goal della propria squadra!

Onde gravitazionali Onde gravitazionali: pieghe nello spazio-tempo virgo 3

Nonostante le difficoltà, l’interferometro LIGO è riuscito a captare nel settembre del 2015 le prime onde gravitazionali, dovute alla fusione di due Buchi Neri pesanti circa 30 volte il nostro Sole a una distanza di 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra. Si apriva una finestra completamente nuova nell’esplorazione dell’Universo, e si confermava una volta di più una delle predizioni della teoria della gravitazione di Einstein. Dopo questo primo evento ne sono stati osservati altri tre, l’ultimo dei quali, questo agosto, osservato anche dall’interferometro VIRGO di Pisa. Qualcosa di completamente nuovo è oggi alla nostra portata, e siamo certi che ci porterà a capire qualcosa di sorprendente e inatteso sul nostro meraviglioso Universo.

Giovanni Cresci

Giovanni Cresci

Giovanni Cresci è un astrofisico fiorentino dell’Osservatorio di Arcetri. Con un passato da cervello in fuga in Cile e Germania, è poi rientrato in patria lasciando il cervello chissà dove. Dice di studiare l’evoluzione delle galassie, ma più che altro cerca di sopravvivere ai suoi figli.
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