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29 Febbraio 2016
Scienz(i)a.TO: sulla cresta dell’onda, gravitazionale
La rubrica scientifica di Digi.TO questo mese è completamente dedicata alla scoperta delle onde ipotizzate da Einstein 100 anni fa, ma perché sono così importanti?
Andrea Di Salvo
Le onde gravitazionali deformano lo spaziotempo
È, a buon diritto, la regina delle notizie del mondo scientifico degli ultimi decenni: l’11 febbraio sono state confermate per la prima volta le osservazioni dirette di onde gravitazionali, la cui esistenza era stata teorizzata da Einstein ben 100 anni fa. Che cosa sono e perché tanto clamore?
Le onde in questione sono l’analogo gravitazionale delle onde elettromagnetiche. Possiamo immaginarle così: quando si lancia un sasso in uno stagno si creano delle onde che ne perturbano la superficie. Le onde gravitazionali perturbano lo spaziotempo in modo simile, propagandosi alla velocità della luce dal punto della loro origine. Qualunque corpo dotato di massa è in grado di generarle accelerando o decelerando, quindi anche noi, correndo o andando in bicicletta, siamo in grado di perturbare lo spaziotempo. Perturbazioni di questa entità però non sono rilevabili, almeno allo stato attuale della nostra tecnologia, perché sono debolissime.
Sono stati necessari infatti due ingredienti fondamentali per effettuare le osservazioni registrate: una massa enorme e uno strumento raffinatissimo.
IL GIGANTE
La prima l’abbiamo trovata in natura: due buchi neri, di circa 36 e 29 masse solari (tanto per inquadrarli: il Sole ha una massa pari a circa 230 kg) si sono fusi in un unico buco nero di 62 masse solari.
Le tre masse solari rimanenti sono state emesse sotto forma di onde gravitazionali con un’emissione di potenza incredibile, 1046 Watt, ma distantissime da noi, a 1.3 miliardi di anni-luce (numero che esprime anche quanti anni fa è accaduto l’evento). Nonostante la potenza, è quindi la distanza a rendere molto difficile la rilevazione delle onde.
LO STRUMENTO
Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha permesso la loro osservazione grazie alla tecnica interferometrica: un raggio laser viene diviso in due e, viaggiando dentro dei tubi a vuoto, rimbalza su degli specchi posti a 4 km di distanza dalla sorgente e disposti perpendicolarmente tra loro – la struttura sembra un’enorme L – per poi tornare indietro. Nel loro punto di incontro finale viene a formarsi una figura di interferenza dovuta all’interazione tra i due raggi che contiene informazioni sull’eventuale differenza delle distanze percorse da essi: nel caso di Ligo la precisione raggiungibile è inferiore a variazioni di 10-18 m (per confronto, le dimensioni tipiche di un atomo sono di 10-10 m).
Semplificando, se ora ci immaginiamo che un’onda gravitazionale abbia come effetto quello di contrarre debolmente lo spaziotempo tra questi due punti come se fosse una fisarmonica, essa sarebbe rilevabile grazie all’estrema raffinatezza della misura e questo è quello che è stato fatto. Per la precisione, l’osservatorio Ligo gestisce due laboratori quasi uguali negli Stati Uniti, a Livingston e Hanford (si differenziano solo nella lunghezza dei bracci percorsi dai laser, di 4 e 2 km rispettivamente), ma posti a 3.000 km di distanza tra loro. Lo sdoppiamento dell’esperimento è stato condotto per contenere le fonti di disturbo come i terremoti, le fluttuazione dei laser o il rumore acustico e confermare così la rilevazione: è stato dunque osservato presso entrambi i laboratori uno stesso segnale modulato in frequenza da 35 a 250 Hz, con una deformazione relativa dovuta all’onda pari a 10-21.
NUOVI OCCHI
Cosa porta, in definitiva, questo risultato? Ora sono aperte le porte all’astronomia gravitazionale, del tutto diversa da quella finora praticata e in grado di indagare in un dominio prima d’ora inaccessibile: le onde gravitazionali infatti, a differenza della luce, interagiscono debolmente con la materia che incontrano e quindi trasportano quasi intatta l’informazione sull’evento che le ha originate. Questa caratteristica, combinata con le informazioni elettromagnetiche e quelle dedotte dai neutrini, sarà in grado di rendere la nostra comprensione dell’Universo più profonda.
Attraverso la collaborazione internazionale tra diversi laboratori (Virgo, in Italia) sarà possibile individuare con maggiore precisione le sorgenti di onde gravitazionali e per quelle più massicce l’indagine proseguirà dallo spazio, con la sonda Lisa Pathfinder, apripista del futuro osservatorio spaziale per le onde gravitazionali.
Ora abbiamo nuovi occhi sull’Universo e non ci resta che usarli.
