Onde gravitazionali, istruzioni per l’uso: ascolteremo l’universo

APPROFONDIMENTO – “Abbiamo scoperto le onde gravitazionali”. Un annuncio che cambia per sempre la storia della fisica e dell’astrofisica e il modo in cui indaghiamo i misteri dell’universo. La scoperta delle onde gravitazionali, che come effetto “collaterale” ha portato anche alla prima prova diretta dell’esistenza dei buchi neri, apre la strada all’ascolto dell’universo. Il segnale rivelato da Ligo, Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, è infatti un segnale di tipo sonoro, un “chirp” o cinguettio che porta con sé dati e informazioni unici, che combinati con i telescopi di tipo elettromagnetico e ottico possono aiutare a comprendere e svelare i misteri che il cosmo ancora cela.

Una doppia scoperta dall’odore di doppio Premio Nobel e una grande soddisfazione per i ricercatori di Ligo e dell’esperimento Virgo di Cascina frutto della collaborazione Ego (European Gravitational Observatory) che ha visto gli italiani dell’Infn (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) attivi in prima linea. Il risultato di anni di duro lavoro è stato pubblicato sulla rivista scientifica Physical Review Letters, solo il primo di una lunga serie di paper che aprono un nuovo metodo di indagine del cielo.

Un cinguettio dallo spazio

La prima onda gravitazionale della storia della fisica è stata ascoltata il 14 settembre 2015 alle ore 10.50 ora italiana. Le collaborazioni Ligo e Virgo hanno osservato le onde gravitazionali prodotte dalla collisione di due buchi neri, che costituivano un sistema binario formato da due oggetti con masse rispettivamente di 36 e 29 masse solari (il Sole ha una massa 332 946 volte quella della Terra), lontani dal nostro pianeta 1,3 miliardi di anni luce.

I due buchi neri hanno spiraleggiato uno attorno all’altro fino a collidere e dare vita ad una fusione che ha irradiato il 4,6% di energia del sistema sotto forma di onde gravitazionali, mentre la restante energia ha dato vita a un altro buco nero ruotante con una massa pari a 62 volte quella del Sole e rotazione adimensionale pari a 0,67.

Cosa sono le onde gravitazionali?

Immaginate di lanciare un sasso in uno stagno. La cresta dell’acqua inizierà a incresparsi e delle onde concentriche si propagheranno sulla superficie. Ora immaginate il tessuto dello spazio-tempo descritto da Albert Einstein nella teoria della relatività generale enunciata 100 anni fa. Ogni oggetto avente massa nello spazio-tempo crea delle increspature, o meglio delle vibrazioni, che lo perturbano. Queste vibrazioni sono proprio le onde gravitazionali.

Dato che le onde gravitazionali emesse da un qualsiasi corpo sono talmente deboli da poter essere rivelate, Einstein aveva previsto che per poterle ascoltare avrebbero dovuto essere prodotte da fenomeni cosmici violentissimi, proprio come la collisione di due buchi neri massivi, l’esplosione di una supernova o addirittura come eco del Big Bang, l’esplosione da cui l’universo ha avuto vita così (come iniziamo a conoscerlo oggi).

Onde gravitazionali, istruzioni per l’uso

Le vibrazioni nello spazio-tempo possono essere osservate sotto forma di suono, proprio come hanno fatto gli interferometri Ligo e Virgo, tanto che il segnale rivelato è un “cinguettio” in una finestra temporale di appena una decina di millisecondi. Una frazione di tempo sufficiente a rilevare l’onda e a indagare con altri tipi di telescopio, ad esempio quelli ottici o elettromagnetici, il fenomeno appena osservato. Ma a cosa serve la scoperta più importante per l’astronomia e la fisica moderna?

I buchi neri esistono davvero. Il primo risvolto è sicuramente questa conferma. Le onde gravitazionali hanno permesso sì di confermare la validità scientifica della teoria della relatività generale di Einstein, ma hanno anche fornito la prima evidenza diretta dell’esistenza dei buchi neri, oggetti che non possono essere osservati con gli altri telescopi dato che il loro campo gravitazionale è così potente da non lasciar scappare dall’orizzonte degli eventi nemmeno i fotoni, le particelle prive di massa che viaggiano alla velocità della luce.

Solo un paio di giorni prima della scoperta a sottolineare l’importanza di una prova come questa in un articolo su Nature era Frans Pretorius, specialista in simulazioni di relatività generale alla Princeton University del New Jersey,  che aveva detto:

“La comunità scientifica, me incluso, è diventata scettica circa i buchi neri. Li abbiamo presi per buoni, ma se si pensa che si tratta di previsioni sorprendenti, abbiamo davvero bisogno di prove sorprendenti”.

Quanto pesa un gravitone? Altra domanda a cui la scoperta potrà rispondere è se il gravitone, la particella “portatrice” della gravità (proprio come il fotone si fa carico della luce), abbia o meno massa. Secondo la teoria della relatività generale le onde gravitazionali si propagano nello spazio-tempo viaggiando alla velocità della luce. Questo accadrebbe se i gravitoni, proprio come i fotoni, fossero privi di massa. Se invece ne avessero una, anche piccolissima, le onde si propagherebbero a una velocità inferiore a quella della luce.

Nell’articolo pubblicato da Virgo e Ligo si è ottenuta una stima del limite superiore della massa del gravitone pari a 1,2 per 10-22 elettronvolt/c. Una stima che apre la strada alla determinazione della massa di questa particella.

Dallo scetticismo all’annuncio

Quando Ligo è stato realizzato e finanziato nei primi anni Novanta del Novecento i suoi maggiori oppositori erano proprio gli astronomi. Clifford Will, un teorico della relatività generale della University of Florida di Gainesville e primo supporter di Ligo, ha scritto in un articolo su Nature: “L’opinione generale era che Ligo non avesse molto a che fare con l’astronomia. Ma le cose sono cambiate”.

A testimoniare il cambiamento sono sicuramente le parole di David Reitze, il direttore esecutivo di Ligo, che ha annunciato in diretta mondiale la scoperta attesa ormai da 100 anni con una semplice frase, ma carica di emozione: “Signore e signori, abbiamo scoperto le onde gravitazionali”.

Un annuncio che rappresenta solo l’inizio di un nuovo modo di indagare l’universo e trasporta la storia della fisica e dell’astrofisica verso la scrittura di un capitolo totalmente nuovo e con strumenti mai utilizzati in precedenza. Darà a scienziati e ricercatori la possibilità non solo di vedere i fenomeni fisici e astronomici attraverso l’uso di telescopi ottici ed elettromagnetici, anche di ascoltarli con sempre maggiore chiarezza usando gli interferometri come Ligo e Virgo (ma anche come Kangra in Giappone e Lisa Pathfinder, la sonda spaziale dell’ESA lanciata nel 2011 proprio per dare la caccia alle onde gravitazionali).

Lo studio dei buchi neri, della teoria delle stringhe, della gravità e dell’esistenza della materia oscura. Ora abbiamo un nuovo motivo per andare a caccia di tutti i più profondi segreti dell’universo che attendono ancora di essere svelati. Gli scettici hanno dovuto ricredersi grazie a un cinguettio, tanto delicato quanto potente, perché con questa scoperta ora possiamo ascoltare quello che prima potevamo solo vedere.

@oscillazioni

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