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Onde gravitazionali: il segreto svelato

5 anni fa

7 minuti

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In questi giorni non si fa altro che parlare di onde gravitazionali e vorrei ben vedere… per l’astronomia questa è una scoperta rivoluzionaria. Ma cosa è successo esattamente dal giorno della scoperta e cosa cambierà nella nostra vita?

Parlare di onde gravitazionali è molto facile: basta immaginarsi un telo liscio con sopra delle sfere il cui movimento genera delle increspature.

Il telo è il nostro universo, le masse dei corpi celesti e le increspature sono le celebri onde gravitazionali. Se confrontiamo con le spiegazioni un po’ raffazzonate del bosone di Higgs, questa scoperta è per i divulgatori scientifici una bazzecola.

Nonostante la facilità nel rendere l’idea di cosa siano le onde gravitazionali, la loro scoperta è un’avventura che comincia 100 anni fa quando Einstein gettò le basi di una nuova visione del nostro universo.

Einstein aveva previsto l’esistenza delle onde gravitazionali 100 anni fa.

Fino agli inizi del ‘900 la gravità era quella descritta da Newton, quello della mela che cade dall’albero. Così come un oggetto cade verso il suolo, allo stesso modo esiste una forza che attrae i pianeti intorno al Sole mantenendo stabile la loro orbita.

Questa forza, secondo Newton, dipende dalla massa dei corpi coinvolti ed è istantanea, una vera e propria “azione a distanza” che si manifesta con un meccanismo fisico non ben definito.

 

 

Einstein cambia questo concetto definendo la gravità come una forza fisica non diversa dalle altre conosciute e che quindi deve propagarsi attraverso un campo che altro non è che il tessuto dell’universo: lo spazio-tempo.

Le masse, come stelle, satelliti e pianeti, si muovono sopra questo tessuto deformandolo e creando delle “conche” che giustificano il comportamento dei corpi celesti e l’attrazione gravitazionale tra loro.

La gravità è una forza così importante da essere considerata una della 4 forze esistenti nel nostro universo insieme alla elettromagnetica, la nucleare forte e la nucleare debole. Da essa dipende la nostra vita sulla Terra, ma anche l’esistenza del sistema solare, del Sole stesso e della nostra galassia.

L’esistenza delle onde gravitazionali è stata predetta dal modello di Einstein, ma non era mai stato possibile osservarle direttamente.

La difficoltà di misurare qualcosa che distorce l’intera realtà nella quale viviamo è che non abbiamo un punto fermo da usare come riferimento.

Avete presente quando siete fermi sul treno e non sapete se siete voi a muovervi o il treno accanto? Ecco circa la stessa cosa.
Durante questo secolo di ricerche l’esistenza delle onde gravitazionali era già stata confermata attraverso metodi indiretti e nel 1993 i primi a confermarne indirettamente l’esistenza avevano preso un Nobel.

La sfida: misurare come si distorce la realtà stessa in cui viviamo

Negli stessi anni nasceva LIGO, un interferometro gigantesco per cercare di misurare direttamente la presenza di onde gravitazionali. Le misurazioni iniziano nel 2003 e nel 2007 si unisce Virgo, un interferometro che ha sede a Pisa. Le due macchine hanno dimensioni davvero notevoli.

LIGO è costituito da due lunghissima fasci laser di 4 km ciascuno posti a 90° l’uno dall’altro. Questi fasci laser vengono riflessi su degli specchi e inviati ad un rivelatore che ne elabora la figura di interferenza. L’interferenza che generano i due laser è sempre la stessa a meno che la lunghezza di uno dei due bracci non cambi.

Quando un’onda gravitazionale passa per uno dei due bracci, lo spazio-tempo viene distorto al suo passaggio portando ad una variazione di lunghezza di uno dei due fasci laser e quindi ad un cambiamento della figura di interferenza.

 

 

 

 

11 Febbraio 2016, una data che indubbiamente entrerà nella storia della scienza.

Questo effetto era considerato così piccolo da essere quasi impossibile da rilevare, almeno fino a Settembre 2015 quando qualcosa è stato finalmente osservato. L’annuncio della misurazione delle onde gravitazionale è poi giunto al pubblico tramite una conferenza stampa l’11 Febbraio 2016, una data che indubbiamente entrerà nella storia della scienza.

Già da mesi c’erano delle “voci” che parlavano di un’annuncio imminente e anche noi su Lega Nerd ne avevamo parlato con una malcelata acidità nei confronti di coloro che precorrevano i tempi.

 

Noi lo sapevamo già, noi scienziati intendo.

La motivazione ufficiale era che la scienza si fa sugli articoli e non su Twitter, ma quella vera è che noi lo sapevamo già, noi scienziati intendo. Quando c’è una scoperta di tale portata i colleghi che si occupano di studi simili vengono allertati per verificare i dati e per essere certi che non si tratti di qualche altro fenomeno.

Ricordiamo che stiamo parlando di effetti piccolissimi che quindi possono essere soggetti a moltissimi falsi positivi. Quando si viene a sapere di una notizia del genere è come sapere che Dart Vader è il padre di Luke e non poterlo dire a nessuno.

L’etica professionale vorrebbe che si riuscisse a tenere la bocca chiusa anche per rispetto di quelli che hanno duramente lavorato a questa scoperta, ma evidentemente le cose sono andate diversamente.

Per fortuna l’interesse mediatico e del pubblico non è scemato e la conferenza stampa è stata seguita in streaming da centinaia di migliaia di persone.

 

Volete sapere di quanto è cambiata la lunghezza dei bracci a causa delle onde gravitazionali? Un miliardesimo di miliardesimo di metro… su 4 km…

Praticamente un numero con 18 zeri davanti, questa è la modificazione che un’onda gravitazionale può provocare su interferometri come LIGO o Virgo. In poche parole è come misurare lo spessore di un capello sulla distanza tra Terra e Proxima Centauri.

Quelle onde sono state generate da un fenomeno estremo: la coalescenza di due buchi neri.

I buchi neri sono delle regioni dello spazio-tempo nelle quali il campo gravitazionale è così intenso da impedire a qualunque cosa di sfuggirgli, persino la luce. È uno dei fenomeni più affascinanti e più estremi conosciuti nell’universo conosciuto.

 

Due buchi neri, se sono abbastanza vicini, possono fondersi in un buco nero più grande.

Due buchi neri, se sono abbastanza vicini, possono fondersi in un buco nero più grande. L’evento è qualcosa di difficilmente immaginabile, le energie in gioco sono enormi e sicuramente non sarebbe piacevole essere in zona.

Immaginate la catastrofe più grande mai rappresentata in un film di fantascienza (tranne Battlestar Galactica… quella serie è più fede che fantascienza), ecco questo evento è di proporzioni migliaia di volte più grande.

Nel caso della rilevazione di LIGO i due buchi neri erano lontani 1,3 miliardi di anni ed avevano rispettivamente una massa di 29 e 36 volte il nostro Sole. Il buco nero risultate è stato di 62 masse solari.

Al di là dell’evento eccezionale osservato, è incredibile notare come i segnali rilevati da LIGO e Virgo siano vicini alle previsioni teoriche fatte in questi anni.

 

In alto vediamo il segnale rilevato da due antenne riceventi (rossa e blu), mentre in basso si nota il segnale teorico secondo la relatività generale.

Quello che rende questa scoperta affascinante non è tanto la conferma dell’esistenza delle onde gravitazionali, quello si sapeva già. La novità è la certezza che possano essere misurate e che quindi sia possibile vedere l’universo sotto una nuova “lente”.

Fino ad oggi lo spazio che ci circonda è stato osservato tramite la luce emessa dai vari corpi celesti, da oggi sappiamo che possiamo osservare l’universo anche tramite le onde gravitazionali.

Cosa scopriremo? Quali oggetti celesti oggi sconosciuti potremo osservare e quali nuove informazioni potremo raccogliere?

Le onde gravitazionali rilevate si sono originate a 1,3 miliardi di anni luce da noi

La materia che emette luce è solo un sesto di tutta quella presente nell’universo. Buchi neri, stelle di neutroni e altri fenomeni celesti che non emettono luce potranno essere finalmente osservati.
Se non vi basta tutto questo, sappiate che esiste un modello che spiega quasi tutta la fisica dell’universo ed è il Modello Standard. In questo modello 3 delle 4 interazioni fondamentali sono descritte. Indovinate qual è l’interazione che non riusciamo ad unificare? La gravità e la particella che la trasporta, il gravitone, ad oggi rimangono ancora un mistero.

Questa scoperta ha permesso di definire con più precisione quale potrebbe essere la massa del gravitone, particella ad oggi prevista sulla carta, ma mai identificata. Forse tra qualche anno potremo aspettarci un Nobel per la scoperta del gravitone o magari scopriremo qualche cosa che rivoluzionerà le nostre previsioni e i nostri modelli scientifici.

Non ci saranno però motori a curvatura dello spazio-tempo o velocità superiori alla luce.

Ci sono grosse novità all’orizzonte, abbiamo appena cambiato marcia, vediamo fino a dove potremo esplorare i misteri dell’universo che ci circonda.

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