Articolo
Flavio Fusi Pecci

Le onde gravitazionali

Una scoperta diffusa e commentata già ovunque nei media mondiali che merita di essere capita e sottolineata perché apre una “nuova” finestra sull’universo, immaginata un secolo fa, ma mai aperta fino ad oggi. Raccogliamo qui sinteticamente alcune “spigolature” estratte dalla rete come spunto di approfondimento. [Per saperne di più ad esempio:  qui e qui].

Flavio Fusi PecciLa realtà supera la fantasia

Il risultato annunciato l’11 febbraio 2016 è arrivato dopo oltre 50 anni di sviluppo sperimentale e dopo 100 anni da quando nel 1916 Albert Einstein con la teoria della relatività generale predisse l’esistenza di questo nuovo tipo di onde. Che cosa è successo? Molto in sintesi, dopo una lunga vita di coppia, in orbita uno intorno all’altro, circa un miliardo e trecento milioni di anni fa due grossi buchi neri (36 e 28 volte più massicci del sole) sono collassati uno sull’altro, fondendosi in un unico buco nero, con una massa totale risultante di circa 61 masse solari, più piccola quindi della somma dei due, pari a 64. La differenza di 3 masse solari è stata tutta trasformata in energia, tramite la relazione E=mc^2, ed irraggiata nell’universo sotto forma di onde gravitazionali che, viaggiando alla velocità della luce, sono arrivate fino a noi da dove sono state prodotte (cioè ad una distanza di un miliardo e trecento milioni anni luce) e sono state rivelate dai due interferometri LIGO (negli USA) il 14 settembre 2015.

Nessuno si aspettava che la prima rivelazione diretta di onde gravitazionali sarebbe stata prodotta dalla coalescenza/fusione di una coppia formata da due “mostri” cosi’ massicci, di cui finora si dubitava addirittura l’esistenza. Le previsioni più favorevoli parlavano infatti della possibile fusione di una coppia di stelle di neutroni, con massa inferiore alle 3 masse solari, la cui esistenza è già stata invece ripetutamente confermata.

Cosa sono le onde gravitazionali

In generale, le onde gravitazionali si generano quando grandi masse subiscono forti accelerazioni, e il processo di accelerazione rompe ogni eventuale simmetria di tipo sferico che fosse preesistente. Partiamo dunque ad esempio da una coppia formata da due stelle compatte (con densità di migliaia di miliardi di volte quella dell’acqua), come due stelle di neutroni (fase finale di stelle evolute). Quando le due stelle stanno per venire a contatto ognuna perde l’identità propria e si forma come un grumo caotico di materia. La forma di tale grumo di materia, frutto della spettacolare interazione di fusione in corso, è naturalmente molto irregolare e inoltre, cosa ancora più importante, la sua stessa forma muta rapidissimamente. Ciò corrisponde a una situazione in cui le varie parti che interagiscono in questo grumo subiscono fortissime accelerazioni. Siccome tutte queste diverse parti che vanno a fondersi sono molto massicce, possiamo immaginarle come se ognuna fosse emettitrice di intense onde gravitazionali. L’emissione del picco di onde gravitazionali, legato al momento culminante della coalescenza/fusione delle due stelle, è breve ed intensissima e cessa poco dopo che il buco nero risultante si è assestato in uno stato finale. Ma l’emissione, molto meno potente e modulata nel tempo, avviene già mentre i due oggetti si avvicinano sempre più, spiraleggiando uno sull’altro.

Per dare una idea molto schematica: osservando una nave sul mare si nota immediatamente come il suo movimento generi delle onde nell’acqua. Allo steso modo, moti, evoluzione ed interazioni di stelle e buchi neri generano onde gravitazionali nella struttura dello spazio-tempo. Oggetti astronomici con una massa più grande generano onde gravitazionali di energia maggiore e quelli che si muovono con maggiore velocità generano un maggior numero di onde in brevissimi intervalli di tempo.

Come sono state rivelate

La gravità è la più debole delle quattro interazioni fondamentali della natura (gravitazionali, elettromagnetiche, nucleari forti e deboli) e l’effetto per noi rivelabile delle onde gravitazionali è ultra-microscopico. Rivelare un’onda gravitazionale che ritmicamente comprime e stira lo spazio-tempo è infatti una misura delicatissima perché qualsiasi effetto terrestre, un motore su una lontana autostrada, un treno, persino le onde dell’oceano distante migliaia di chilometri hanno un effetto sui rivelatori più grande di quello causato dal passaggio di una onda gravitazionale.

Per mettere in evidenza queste piccolissime deformazioni si usano oggi i cosidetti “interferometri laser”. Oltre ai due LIGO in funzione negli USA, il terzo esistente, VIRGO, si trova a Cascina, vicino Pisa. Molto schematicamente nel caso di VIRGO un fascio di luce laser infrarossa è diviso in due fasci da un dispositivo ottico detto “beam splitter”. I due fasci cosi’ creati sono inviati lungo i due bracci, lunghi 3 km, disposti perpendicolarmente uno rispetto all’altro. All’estremità di ciascun tubo si trova uno specchio che riflette la luce del fascio, che ritorna quindi verso il punto di origine. I due fasci vengono quindi ricombinati e se ne osserva la figura di interferenza. Se la lunghezza dei tubi (cioè la distanza percorsa dai due fasci) cambia anche di pochissimo, la figura di interferenza cambia. Si parla di numeri davvero piccoli: nel caso delle sorgente osservata si tratta dell’allungamento/accorciamento (perché essendo per­pendicolari uno si allunga e l’altro si accorcia) con una variazione misurata di circa un miliardesimo di miliardesimo di metro su 3 km, pari quindi a circa un millesimo del diametro di un protone.

Una “nuova” finestra: per vedere cosa?

Che cosa si intende per “nuova” finestra? Lo possiamo intuire paragonandola a quella “elettromagnetica” per noi abituale. Una massa accelerata emette onde gravitazionali così come una carica accelerata emette onde elettromagnetiche. Tuttavia, l’analogia tra le onde gravitazionali e le onde elettromagnetiche finisce qui, per la diversa natura dei campi gravitazionale ed elettromagnetico. Ad esempio ricordiamo che una caratteristica peculiare della forza di gravità, consiste nell’essere puramente attrattiva. La forza elettromagnetica, invece, può essere sia attrattiva che repulsiva a seconda che siano in gioco “cariche” di segno opposto od uguale. La forza gravitazionale quindi non può essere schermata come facciamo con quella magnetica. Possiamo pensare ad un’onda gravitazionale come ad un’increspatura dello spazio-tempo, che, propagandosi, ci fornisce informazioni sulla variazione del campo gravitazionale. In sostanza, quindi, possiamo concludere che, mentre un’onda elettromagnetica si propaga nello spazio-tempo, un’onda gravitazionale è una modificazione dello spazio-tempo.

Finora si avevano solo prove indiziarie dell’esistenza di sistemi binari formati da due buchi neri di massa stellare, in particolare si erano al più catalogati 2 o 3 sistemi binari che apparivano buoni candidati. La carenza di sistemi accertati è legata alle grossissime difficoltà ad individuarli con osservazioni elettromagnetiche. La scoperta di LIGO apre ora scenari del tutto nuovi nella capacità di studiare un gran numero di questi oggetti. Tutte le stime teoriche, sempre molto complicate e legate a una serie di assun­zioni ad hoc, verranno sottoposte alla prova dei fatti. E quando si sarà collezionato un numero significativo di queste coalescenze / fusioni, la distribuzione statistica dei para­metri di questi eventi sarà utilissima per chiarire molti punti tuttora irrisolti non solo nell’evoluzione stellare e orbitale che porta alla formazione di cop­pie di stelle ultracompatte, ma impa­reremo cose ad oggi quasi incredibili ed impensabili sulla nascita, natura ed evoluzione dell’universo e di tutto ciò che contiene, a livello microscopico e macroscopico, e addirittura sui con­cetti e realtà dello spazio-tempo e di come questo “guida” formazione ed evoluzione di energia e materia, in tutte le loro forme.

Flavio Fusi Pecci

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