Le onde gravitazionali: cosa sono? E perchè sono così importanti?

“Ladies and Gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it!”.

Con queste parole ha iniziato il suo discorso David Reitze, il direttore esecutivo dell’esperimento LIGO, nella conferenza stampa di giovedì scorso a Washington.

Nelle ore e nei giorni immediatamente successivi all’annuncio della scoperta delle onde gravitazionali se ne è parlato letteralmente su qualsiasi rete televisiva, giornale o social network. In questo articolo cercherò di farvi capire, e convincere anche i più scettici, quanto sia rivoluzionaria la portata di questa scoperta.

La storia comincia un po’ da lontano, circa 100 anni fa, quando uno dei fisici più grandi di tutti i tempi, Albert Einstein, studiando alcune equazioni della sua teoria della Relatività generale, si accorse che sarebbe potuto esistere un nuovo tipo di onde oltre a quelle già conosciute. Nel mondo che ci circonda ne esistono di diversi tipi: le onde sonore, che si propagano in un mezzo come l’aria o l’acqua, le onde elettromagnetiche, come la luce e ora abbiamo la conferma dell’esistenza anche delle onde gravitazionali. In una qualsiasi spiegazione divulgativa che spieghi in maniera semplice la teoria di Einstein, avrete visto come sfere di masse diverse siano in grado di piegare diversamente un tessuto gommoso o anche, più semplicemente, un lenzuolo. Per capire invece come “vedere” un’onda gravitazionale immaginate di muovere un sasso sulla superficie dell’acqua: vedrete come si propagano delle increspature in tutte le direzioni. Ecco, questo è un po’ quello che succede al tessuto dello spazio-tempo quando una massa si muove al suo interno.

Perciò anche la Terra o il Sole nel loro moto producono onde gravitazionali, ma in maniera del tutto impercettibile, quindi per cercare di rivelarle bisogna affidarsi agli oggetti che concentrano al loro interno masse molto elevate, come stelle di neutroni o buchi neri. Alcuni di voi avranno sicuramente visto il film “Interstellar”, in cui Matthiew McConaughey e Anne Hathaway si ritrovano ad esplorare un sistema planetario in orbita intorno ad un buco nero, quindi potete avere un’idea di come può apparire un oggetto simile.

Veniamo alla descrizione di cosa è stato effettivamente osservato. Il 14 settembre scorso, entrambi gli strumenti del progetto LIGO negli Stati Uniti, uno nello stato di Washington e l’altro in Louisiana hanno entrambi visto quasi contemporaneamente un segnale molto breve, della durata di soli 200 millisecondi (come un battito di ciglia), ma con una caratteristica particolare: la frequenza del segnale si è fatta sempre più acuta fino a smorzarsi completamente (vedi figura 1).

L’aspetto ragguardevole di tutto ciò è che le due rilevazioni sono praticamente identiche e se sovrapposte appaiono come una sola: questa è quasi certamente la prova del passaggio di un’onda gravitazionale attraverso i rivelatori e la Terra intera. Il fatto che entrambi abbiano visto lo stesso tipo di segnale fa propendere molto verso l’effettiva scoperta, cancellando quasi ogni dubbio che tale segnale sia stato prodotto da quale fenomeno “spurio” (dico quasi perchè bisognerà comunque aspettare finchè la comunità scientifica approverà definitivamente questi risultati).

Onde gravitazionali
Figura 1: I segnali rilevati dai due esperimenti di LIGO separatamente (sopra e in mezzo) e sovrapposti (sotto). Notate come sembrano magicamente coincidere. di anni fa cominciavano a svilupparsi le prime forme di vita elementari sul nostro pianeta) e quindi produce degli effetti molto deboli da rilevare.

Secondo gli esperti (tra cui Kip Thorne, che non solo è stato uno dei produttori esecutivi di Interstellar, ma è uno degli ideatori di questo progetto) il segnale è attribuibile ad una coppia di buchi neri di massa pari a circa 30 masse solari (29 e 36 per l’esattezza) che si sono fusi dando vita ad un buco nero di massa maggiore dei due a più di un miliardo di anni luce dalla Terra.

Queste parole servono a poco se non le si quantifica in termini comprensibili alla nostra mente. Considerate di prendere un corpo di 30 masse solari (una massa solare è 330.000 volte maggiore della Terra) concentrate in un volume di 150 chilometri di diametro, la distanza che c’è fra Modena e Rimini circa, e acceleratela alla metà della velocità della luce. Ora prendete un altro corpo di 30 masse solari che si muove a metà della velocità della luce e fateli collidere: questa è un’idea di come possa essere concepito quello che è accaduto. Non è finita però: nel processo sono state liberate 3 masse solari in energia (ricordate la relazione E=mc2) convertite in onde gravitazionali. Tale quantità di energia è maggiore di 50 volte rispetto all’energia complessivamente trasformata in tutte le stelle dell’Universo in quello stesso momento!

Nonostante questo fenomeno sia estremamente energetico, il nostro pianeta è anche estremamente lontano da questa sorgente, cioè a circa 1,3 miliardi di anni-luce, che anche su scala cosmica è una distanza ragguardevole. Di conseguenza l’onda prodotta nella collisione dei due buchi neri si è molto attenuata perchè si è espansa moltissimo da quando è stata originata (1,3 miliardi di anni fa cominciavano a svilupparsi le prime forme di vita elementari sul nostro pianeta) e quindi produce degli effetti molto deboli da rilevare.

E’ qui che entra in gioco LIGO, un interferometro (cioè un apparato in cui sono disposti due bracci tra loro perpendicolari, vedi figura 2) di grande precisione in cui si utilizza un laser per captare le distorsioni spaziali provocate dal passaggio di un’onda gravitazionale.

osservatorio LIGO
Figura 2: L’osservatorio LIGO a Hanford, nello stato di Washington, Stati Uniti; il suo gemello, che ha trovato un segnale molto simile, si trova nello stato della Louisiana.

Il fascio laser viene prima scomposto in due parti che percorrono separatamente i due bracci lunghi 4 chilometri per poi essere riflesse e, tornate al punto di partenza, ricombinate formando una figura di interferenza, cioè un’immagine su un rivelatore. Per capirlo meglio date un’occhiata a questo video:

 

Un’onda gravitazionale espande lo spazio nella direzione di propagazione e lo comprime in direzione perpendicolare, quindi è in grado di variare di pochissimo la lunghezza dei due bracci dell’esperimento, modificando l’immagine sul rivelatore, ovvero la figura di interferenza. Se si è estremamente precisi si possono escludere tutte le fonti spurie (come i movimenti della crosta terrestre) e riuscire ad essere sicuri di avere l’evidenza del passaggio di un’onda gravitazionale. Per ottenere un tale risultato si deve riuscire a rilevare una variazione nella lunghezza dei due bracci dell’interferometro di un millesimo del raggio del protone (10-18 metri)!

Ancora una volta, per renderci conto di quello che vuol dire essere in grado di misurare una cosa simile, facciamo un’analogia: se i due bracci in cui si fa propagare il fascio laser fossero lunghi dalla Terra alla stella più vicina, che si trova a 4 anni-luce dalla Terra (1 anno-luce = 1013 chilometri, diecimila miliardi di chilometri) la variazione in lunghezza di uno dei due bracci (e quindi anche dell’altro) sarebbe pari allo spessore di un capello. Non male, vero?

Voi considerate che questa precisione deve essere raggiunta qui sulla Terra, ovviamente, e per farlo sono stati sviluppati degli esperimenti molto ingegnosi che hanno richiesto l’impegno di più di mille ricercatori in tutto il mondo.

Per tutto questo possiamo riassumere la grande portata che coinvolge questa scoperta in tre punti: 1) E’ stato possibile confermare uno degli ultimi tasselli mancanti della teoria della Relatività generale, la quale è di grande importanza nella nostra vita quotidiana, anche se a noi non sembra a prima vista (il sistema GPS, per esempio, deve tenere in conto questa teoria, altrimenti gli errori nelle distanze calcolate sarebbero enormi).

2) Proprio per confermare l’esistenza delle onde gravitazionali è stato necessario uno sforzo tecnologico ai limiti delle capacità umane odierne, e ciò porterà sicuramente a grandi miglioramenti nella futura tecnologia. 3) Con questa osservazione è stata inaugurata una nuova era nelle osservazioni dell’Universo, cioè un nuovo modo e nuovi occhi con cui studiare il cielo. David Reitze, di cui abbiamo parlato all’inizio, ha paragonato questa osservazione a ciò che fece Galileo 400 anni fa, quando con un semplice cannocchiale osservò per la prima volta i satelliti di Giove, scardinando completamente le concezioni dell’epoca. Probabilmente il direttore di LIGO ha ragione e vedremo quali altre sorprese ci riserverà il futuro.

Perciò, alla faccia di tutti i commenti che ci sono stati sul web e che criticavano aspramente questo grandioso raggiungimento, vorrei dire: pensate veramente che la Scienza non serva a nulla e che spendere milioni e milioni in questi esperimenti non provochi ricadute sulla vostra vita?

Pensate quindi anche che la scoperta dell’elettrone alla fine dell’ ‘800 sia stata inutile e non abbia portato a niente? Beh allora vi siete leggermente dimenticati di tutto il progresso che la vita umana ha guadagnato da quella scoperta. Non solo perchè possiamo disporre della corrente elettrica e quindi di un migliore stile di vita, ma anche perchè la Medicina stessa oggi usa apparecchi elettronici in tutti gli ospedali del mondo e che salvano la vita a milioni di persone o, per rimanere in tema, i laser che consentono di ottenere precisioni molto elevate nelle operazioni più delicate.

Forse mi sono spinto troppo oltre, e vorrei scusarmi con voi che mi leggete, che sicuramente come me siete studenti appassionati di Scienza o semplicemente curiosi, ma a volte il limite viene superato da chi non dovrebbe permettersi di dire certe cose, perchè alcune affermazioni sono un’offesa anche verso di noi che ci spendiamo in continuazione per capire concetti difficili di ingegneria o fisica ma che sono veri perchè riscontrabili nella realtà.

Infine vi ringrazio se siete arrivati fino in fondo e spero di essere riuscito a farvi capire un pochino di più questa grandissima scoperta e la sua importanza.

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