Onde gravitazionali

Anno 1915, accademia prussiana delle scienze: Albert Einstein propone una teoria relativistica della gravitazione, denominata relatività generale, che descrive le proprietà dello spaziotempo a quattro dimensioni (3 spaziali e una temporale) e rivoluziona il concetto di gravità. Infatti, secondo l’equazione di campo, nocciolo teorico della relatività generale, la forza gravitazionale non è altro che la manifestazione della curvatura dello spaziotempo.

Questa teoria prevede anche l’esistenza delle onde gravitazionali, ossia di increspature della curvatura dello spaziotempo che si propagano come onde, ma secondo lo stesso Einstein probabilmente l’uomo non sarebbe mai stato in grado di osservarle per l’impossibilità di sviluppare la tecnologia necessaria.

11 Febbraio 2016: dopo decenni di tentativi operati a partire dagli anni ’60 da innumerevoli team scientifici, il team del rivelatore Advanced LIGO annuncia di aver misurato, il 14 Settembre 2015, onde gravitazionali provocate dalla collisione di due buchi neri avvenuta approssimativamente a 1,3 miliardi di anni luce dalla terra.

Aver rilevato queste onde non rappresenta soltanto una prova della loro esistenza, ma fornisce alla comunità scientifica un modo totalmente nuovo per studiare lo spazio (paragonabile ad un ”nuovo senso”) e la possibilità di esplorare e conoscere i primissimi istanti di vita dell’universo, dandoci accesso ad informazioni che fino ad ora ci erano precluse.

Ma facciamo ora un passo indietro e cerchiamo di capire cosa si intenda con ”curvatura dello spaziotempo”. Per fare questo è necessario immaginare lo spaziotempo come un materasso o una superficie di gomma che viene piegata dalla massa degli oggetti che vi vengono appoggiati, così che maggiore è la massa dell’oggetto maggiore sarà la deformazione che esso causa sulla superficie del materasso. La ragione per cui la Terra gira intorno al Sole è proprio che il Sole ha una massa enorme che provoca una grande distorsione dello spazio che lo circonda. Se un’oggetto passa accanto ad una curvatura di tali dimensioni viene ”catturato” ed inizia a muoversi in cerchio intorno all’oggetto che l’ha creata. Le orbite quindi non funzionano grazie ad una forza che trattiene i pianeti, ma attraverso una distorsione dello spazio.

Secondo la relatività generale la curvatura dello spaziotempo è determinata dalla distribuzione delle masse, mentre il movimento delle masse è determinato dalla curvatura.

Le onde gravitazionali, invece, vengono prodotte ogni volta che le masse accelerano, provocando un cambiamento nella curvatura dello spazio. Al passaggio di un’onda gravitazionale lo spazio tridimensionale si restringe e si dilata ritmicamente.

Questo fenomeno è molto difficile da rilevare, infatti anche gli strumenti di misurazione subiscono la stessa deformazione dello spazio circostante, rendendo la deformazione stessa invisibile, ma c’è uno strumento di misurazione che non subisce alcuna dilatazione: la velocità della luce. Se la distanza tra due punti aumenta, la luce impiegherà più tempo per attraversarla, analogamente ne impiegherà di meno se la distanza si restringe.

È proprio questo lo strumento utilizzato dal rilevatore Advanced LIGO, ma anche da altri rivelatori analoghi, quale ad esempio Virgo (che ha sede in Italia in provincia di Pisa) che, pur avendo avuto un ruolo centrale nell’analisi dei dati rilevati da LIGO, non ha potuto registrare le onde gravitazionali del 14 settembre 2015 perché spento a causa di lavori di miglioramento volti ad aumentarne la precisione.

LIGO è costituito da tunnel lunghi 4km e utilizza dei laser per misurare i cambiamenti nella distanza tra le due estremità dei tunnel. Quando viene attraversato da onde gravitazionali lo spazio viene dilatato in una direzione e ristretto nell’altra: misurando l’interferenza tra i laser che vengono riflessi da un’estremità all’altra, i fisici sono grado di misurare in modo molto preciso se lo spazio tra le estremità ha subito variazioni. La precisione necessaria per rilevare le onde gravitazionali è incredibile, infatti onde originate a centinaia di milioni di anni luce dalla Terra distorcono i tunnel di LIGO di approssimativamente 10−18 m.

Per capire meglio questa distanza immaginiamo di prendere un metro e dividerlo in un milione di parti uguali, così facendo abbiamo ottenuto una suddivisione del metro in micron, una dimensione più piccola di una cellula.

Prendiamo ora un micron e dividiamolo nuovamente in un milione di parti uguali. Con questa operazione abbiamo ottenuto una grandezza inferiore a quella di un atomo e se lo dividiamo dividendo una terza volta in un milione di parti uguali arriviamo finalmente ad ottenere una dimensione simile a quella della deformazione creata dalle onde gravitazionali nei bracci di LIGO. Nessun possibile margine di errore per l’ampio team di scienziati che ha lavorato ai rilevamenti.

Questa scoperta avrà sicuramente enormi ripercussioni sul nostro modo di studiare l’universo, tanto che alcuni scienziati la definiscono una ”rivoluzione”.

La scoperta del 14 settembre 2015 non è però la fine delle ricerche sulle onde gravitazionali, ma solamente l’inizio: sono in fase di progettazione altri rilevatori in India ed in Australia ma non solo. La ricerca sta per spostarsi, infatti, anche nello spazio grazie a LISA, una missione spaziale in fase di progettazione presso l’agenzia spaziale europea (data di partenza prevista: 2034) che potrà rilevare le onde gravitazionali senza gli inevitabili disturbi ambientali presenti sulla Terra.

Si preannuncia l’inizio di un bellissimo viaggio. Noi siamo pronti!

Gloria Cracolici

 

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