Le Onde gravitazionali: ne parlano tutti, ma che cosa sono e a che cosa servono?

L’idea delle onde gravitazionali emerse già nella teoria della gravità, espressa da Albert Einstein circa 100 anni prima della scoperta dell’onda, rilevata da LIGO, e chiamata ora GW150914.

Simulazioni numeriche delle onde gravitazionali emesse dall'avvicinarsi e dalla fusione di due buchi neri. I contorni colorati intorno a ciascun buco nero rappresentano l'ampiezza della radiazione gravitazionale; le linee blu rappresentano le orbite del buco nero. Credits: C. Henze/ NASA Ames Research Center

La massa, sosteneva Einstein, deforma lo spazio e il tempo intorno ad essa.

In che modo lo possiamo vedere da queste immagini tratte dal sito www.einstein-online.info

La gravità è l’effetto di questa deformazione, e gli oggetti, anche se lanciati in linea retta, si muovono, lungo le deformazioni spazio temporali prodotte dalla massa, come fa la Terra intorno al Sole: in orbita intorno ad esso, anzichè finire nello spazio secondo una linea determinata dal supposto lancio del piantea Terra.

E’ un’osservazione all’apparenza semplice ed è rappresentata in modo semplice nel seguente video, ma in realtà le equazioni per dimostrarla sono terribilmente difficili, e, se teniamo conto dei mezzi di calcolo allora a disposizione, quasi impossibile da risolvere.

Le soluzioni furono trovate solo tramite approssimazioni, e una di queste portò Einstein ad affermare che qualsiasi oggetto con una massa produce delle increspature spazio-temporali.

Ma Einstein non era soddisfatto di questa affermazione, e continuava a rifare i suoi calcoli, una volta propendendo per la sua esattezza, una volta negandola. Mentre i teorici continuavano a rifare i calcoli e a dibattere sulla loro veridicità, gli scienziati sperimentali provarono a dimostrare che la materia viene dilatata e schiacciata dal passaggio delle onde gravitazionali.

Il problema alla base della rilevazione e misurazione degli effetti delle onde gravitazionali è che parliamo di probabilmente un millesimo dell’ampiezza di un protone: la materia, attraversata da un’onda gravitazionale di tanto si contrarrebbe o dilaterebbe. E tutto ciò deve avvenire epurando il sistema da ogni qualsiasi interferenza, come attrito e altre forze. Quindi si capisce che la rilevazione e la ripetibilità della misurazione sono estremamente difficili da ottenere e, probabilmente, all’epoca di Einstein sarebbe stato virtualmente impossibile, non avendo a disposizione i moderni mezzi (ma anche i milioni di dollari necessari a costruire l’ambiente per l’esperimento e gli strumenti di misura adatti).

Questo ha fatto sì che nei decenni scorsi molti esperimenti volti alla rilevazione delle onde fallissero. In particolare, Weber, con i suoi rilevatori di massa risonanti negli anni Sessanta del secolo scorso, annunciò di aver rilevato più volte le onde gravitazionali, ma non fu mai possibile riprodurre il suo esperimento in altri laboratori sparsi per il mondo, e ciò finì per far dubitare dell’esistenza delle onde gravitazionali e per mettere in ridicolo chiunque ne parlasse in pubblico.

Nonostante lo scetticismo del pubblico, nel mondo scientifico i progressi continuarono e anche gli esperimenti.

Gli avanzamenti negli studi dell’astrofisica, della fisica e della matematica, uniti alle scoperte sulla relatività numerica nel decennio trascorso, hanno reso possibile creare modelli di fusioni binarie  di buchi neri e di fare previsioni accurate delle loro forme d’onda gravitazionali. Mentre molti buchi neri candidati allo studio sono stati osservati attraverso osservazioni elettromagnetiche, le fusioni di buchi neri non erano mai state osservate in precedenza. La scoperta del sistema di pulsar binario PSR??B1913+16 da parte di Hulse e Taylor, che ha valso loro un Nobel nel 1993, e le successive osservazioni circa la perdita di energia effettuate da Taylor e da Weisberg hanno dimostrato l’esistenza delle onde gravitazionali. E ciò è valso loro un premio Nobel nel 1993.

Ma che significato ha la perdita di energia della fusione di due buchi neri? Come si è osservata? In parole semplici, la massa totale del buco nero risultante dalla fusione è minore della somma delle due masse dei due buchi neri, ciò indica che nello “scontro” parte della massa viene trasformata in energia, come se ci fosse un’esplosione gigantesca, e tale energia si diffonde per lo spazio sotto forma di onde gravitazionali. E questo costituiva una prova indiretta dell’esistenza delle onde gravitazionali, tramite la misura delle emissioni radio della coppia di Pulsar, che orbitano l’una intorno all’altra, e deducendo da ciò come la distanza fra le due si stia restringendo mentre esse trasmettono onde gravitazionali nel cosmo, ma le onde stesse non erano mai state misurate in modo diretto.

All’inizio del secondo millennio, un insieme di rilevatori iniziali era già stato approntato, e fra questi TAMA 300 in Giappone, GEO 600 in Germania, LIGO negli U.S.A., e VIRGO in Italia. Le rilevazioni congiunte sono state effettuate dai rilevatori dal 2002 al 2011, conducendo a costruire un vero e proprio network internazionale. LIGO è un interferometro, e funziona dividendo in due un raggio laser, spedendo le metà avanti e indietro in due percorsi di lunghezza identica, ma posti ad angolo retto l’uno rispetto all’altro, e poi cercando di rilevare schemi di interferenze quando le due metà vengono rimesse insieme . Se una metà del raggio viaggia indisturbata, le onde arriveranno al rilevatore nei tempi previsti. Ma un’onda gravitazionale che si trovasse a passare nel bel mezzo del LIGO potrebbe dilatare e successivamente restringere il percorso del raggio. I due mezzi raggi a questo punto interferirebbero l’uno con l’altro all’altezza del rilevatore e ciò costituisce l’evidenza di quanto è successo. La forma finale dell'interferenza che ne nasce contiene ogni tipo di informazione sulla fonte dell’onda, ivi incluso che tipo di masse l’hanno generata e a che distanza. Ma come si fa a essere sicuri che sia realmente un’onda gravitazionale? Qui nasce la difficoltà, e ciò ha fatto sì che venissero costruiti due LIG identici, uno in Louisiana e l’altro a Washington. Solo un’onda che venga osservata quasi simultaneamente da entrambi potrebbe essere un’onda gravitazionale. Quasi ogni cosa all’interno dei due bracci dell’interferometro è sospeso per isolarlo il più possibile da movimenti sismici anche assai distanti e dalle vibrazioni generate dal possibile traffico.

Per raggiungere la sensibilità richiesta, poi, i bracci sono lunghi 4 km circa ciascuno, e ogni metà del raggio laser rimbalza 100 volte fra gli specchi a entrambe le estremità del braccio, per amplificare le discrepanze che potrebbero emergere dalla ricombinazione delle due metà. Ciononostante, nulla fu rilevato fra il 2002 e il 2010. Nel 2010 furono apportate delle migliorie: gli specchi furono raddoppiati, furono sospesi in modo ancora più delicato, la potenza del raggio laser fu incrementata di settantacinque volte. Tutto ciò rese il LIGO quattro volte più sensibile di prima, e questa maggiore sensibilità ha portato i suoi risultati: le osservazioni fatte da LIGO, ricominciate nel settembre 2015, hanno subito captato qualcosa di interessante: la prima osservazione della GW150914 è avvenuta  prima ancora che il nuovo LIGO fosse interamente operativo, prima in Louisiana, poi nello stato di Washington, a distanza di un centesimo di secondo. E pensate che questa infinitesimale differenza dice qualcosa agli scienziati: racconta loro che la probabile provenienza delle onde gravitazionali è nell’emisfero sud del nostro cielo. Da quel momento in poi gli scienziati del team LIGO hanno fatto e rifatto i calcoli migliaia di volte, come hanno affermato in un articolo pubblicato nella Physical Review Letters

In un grafico, questo è quanto è stato osservato dall’esperimento Advanced LIGO:

Diagramma semplificato di un rilevatore Advanced LIGO. Un'onda gravitazionale che si propaga in maniera ortogonale al rilevatore e linearmente polarizzata parallela alle cavità ottiche di 4 km avrà l'effetto di allungare il uno dei due bracci di 4 km e di accorciare l'altro. durante un mezzo ciclo dell'onda; questi cambiamenti di lunghezza sono l'opposto durante l'altro mezzo ciclo. Il fotorilevatore in uscita registra queste variazioni differenziali della lunghezza delle cavità dei bracci.
Creative Commons Attribution 3.0 License.
DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
Physical Review Letters™
Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
B.?P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016

Diagramma semplificato di un rilevatore Advanced LIGO. Un'onda gravitazionale che si propaga in maniera ortogonale al rilevatore e linearmente polarizzata parallela alle cavità ottiche di 4 km avrà l'effetto di allungare il uno dei due bracci di 4 km e di accorciare l'altro. durante un mezzo ciclo dell'onda; questi cambiamenti di lunghezza sono l'opposto durante l'altro mezzo ciclo. Il fotorilevatore in uscita registra queste variazioni differenziali della lunghezza delle cavità dei bracci. Creative Commons Attribution 3.0 License. DOI:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102 Physical Review Letters™ Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B.?P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016

Durante metà ciclo dell’onda rilevata, un braccio del rilevatore LIGO si è “accorciato”, mentre l’altro si allungava. L’altra metà del ciclo dell’onda ha prodotto l’effetto opposto: il braccio che si era accorciato si è allungato, il braccio che si era allungato si è invece accorciato. E il rilevatore, grazie al meccanismo ottico di cui si è parlato sopra, ha rilevato queste variazioni, che sono nell’ordine della millesima parte di un protone.

Ma che cosa hanno di tanto speciale le onde gravitazionali?

Quella avvenuta lo scorso settembre, e annunciata dopo attente revisioni di moltissimi calcoli e fattori l’11 febbraio è la prima osservazione diretta di unonda gravitazionale e la prima osservazione effettiva di un sistema binario (ovvero di due) buchi neri che si stanno fondendo per formare un unico buco nero. Le osservazioni fatte forniranno un accesso unico alle proprietà dello spazio-tempo e conferma le previsioni della relatività generale per la dinamica non lineare di buchi neri ad elevato disturbo. Per l’astronomia gravitazionale, oltre alla conferma delle osservazioni di Einstein, ciò rappresenta un punto di partenza, non di arrivo.

Oggi esiste una prima rete di interferometri gravitazionali sulla Terra: avere più di un rivelatore è fondamentale per rigettare i segnali impuri dovuti ai rumori locali e per individuare la posizione delle sorgenti nel cielo. Oltre a LIGO, c’è Virgo, nei pressi di Pisa; l'interferometro GEO600, vicino ad Hannover, con bracci di 600 m. Un quinto interferometro, KAGRA, è in costruzione sotto una montagna, nella miniera di Kamioka, in Giappone, e le prime osservazioni sono pianificate per il 2018. La collaborazione LIGO sta anche programmando l’installazione di un ulteriore interferometro,con bracci di 4 km, in India, nell’ambito del progetto LIGO-India. Ma il progetto più ambizioso riguarda la costruzione di un osservatorio orbitante, l’Evolved Laser Interferometer Space Antenna, o e-LISA, che per ora è solo sulla carta, anche se i primi pezzi dell’apparato progettato per testare l'idea dell’e-LISA sono già nello spazio.

Insieme i cinque rilevatori formeranno un telescopio che permetterà agli astronomi di capire da dove arriva l’onda e apriranno una nuova finestra sull’universo. L’osservazione delle onde gravitazionali è complementare alle osservazioni astronomiche, fino ad oggi effettuate con radiazione elettromagnetica di diverse frequenze, compresa la luce visibile e le onde radio, e con raggi cosmici e neutrini. All’evolversi della tecnologia, potranno essere rilevate anche onde di minore frequenza, che corrispondono a eventi che vedono coinvolte masse più rilevanti. L’idea è che gli astronomi potranno osservare eventi avvenuti nei primi 380.000 anni dopo il big Bang, un’epoca della storia che è inaccessibile a ogni altro tipo di telescopio mai costruito.

Si sa, inoltre, che la teoria della relatività è una teoria incomplete, nonostante la genialità di Einstein, perché non è coerente con le altri grandi teorie della fisica del ventesimo secolo, come la meccanica quantistica. Molti fisici credono che nei luoghi dove le condizioni sono estreme, cioè negli stessi luoghi da dove partono le onde gravitazionali, verranno scovate le prime crepe della teoria della relatività generale, e con esse l’avvio di una teoria iù onnicomprensiva. Già Einstein pensava che la sua teoria fosse inadeguata a descrivere un evento come il Big Bang, e oggi le onde gravitazionali da lui previste possono essere considerate, forse, la premessa per l’epitaffio della teoria della relatività generale, anche se, in modo più ottimistico, si può pensare che essa sarà parte di una teoria più onnicomprensiva.

In Italia, per chi fosse interessato, è possibile visitare il sito di Virgo. La visita è guidata da uno scienziato ed inizia con un seminario introduttivo, seguita dalla visita vera e propria alle diverse parti dello strumento. La priorità è data alle scuole superiori, alle istituzioni accademiche ed ai giornalisti. Anche associazioni, gruppi di persone, o chiunque sia interessato è però invitato a scoprire l’interferometro e le sue ricerche.

Mediante il sito web è possibile effettuare visite “virtuali”, guardando i numerosi video e fotografie disponibili nella galleria multimediale. Si può anche partecipare ad una delle giornate “porte aperte” organizzate ogni anno. Le visite avvengono preferibilmente di sabato e devono essere prenotate al segretariato scientifico di EGO

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