Il Sole Domenica 11.9.16
Onde gravitazionali
La danza cosmica delle stelle
di Fulvio Ricci
La
scoperta delle onde gravitazionali, la cui eco è rimbalzata in ogni
angolo del mondo, rappresenta davvero un passo storico per la nostra
conoscenza. A cento anni dalle previsioni teoriche di Albert Einstein,
ci ha avviati in una nuova epoca, ha dato inizio all’astronomia
gravitazionale.
Nella vita quotidiana siamo abituati a osservare
tanti tipi diversi di fenomeni ondulatori: le onde d’acqua, la luce, le
onde sonore emesse da uno strumento musicale, le onde elettromagnetiche
che fanno funzionare telefonini e televisori.
Che tipo di onde
sono allora quelle gravitazionali? In realtà, esse sono deboli
increspature nello spaziotempo, il mondo a quattro dimensioni che
Einstein ha creato nelle sue teorie della Relatività Ristretta e
Generale. Il passaggio di un’onda gravitazionale determina il
cambiamento sia della distanza tra gli oggetti, sia della loro stessa
dimensione, ma tale cambiamento è una quantità inimmaginabilmente
piccola, perché le onde gravitazionali interagiscono in modo
estremamente debole con la materia. Questo rende molto difficile la loro
rilevazione, ma rappresenta anche un vantaggio: queste onde si possono
propagare attraverso lo spazio interstellare senza essere alterate e le
informazioni che trasportano non sono modificate. Per produrre un’onda
gravitazionale “efficace” occorre che un corpo molto massiccio, ad
esempio una stella, sia accelerato. Molte stelle fanno parte di sistemi
doppi, ovvero oggetti che ruotano uno intorno all’altro grazie alla
reciproca attrazione gravitazionale.
Se le stelle, coinvolte in
questa danza cosmica, sono molto dense e vicine tra loro, allora sono un
sistema ideale per l’emissione di onde gravitazionali. Il fatto di
emettere radiazione gravitazionale fa sì che il sistema di stelle perda
energia meccanica, determinando il loro progressivo avvicinamento, sino
allo scontro finale. A mano a mano che le due stelle si avvicinano, la
loro velocità di rotazione reciproca aumenta, l’emissione gravitazionale
diviene più intensa e il segnale è messo a frequenze sempre più alte.
Queste
onde possono essere rivelate a Terra da speciali strumenti: gli
interferometri per onde gravitazionali. Per osservare il cambiamento
dello spazio attorno a noi, ovvero della distanza tra gli oggetti che ci
circondano, possiamo disporre due specchi in posizioni diverse facendo
rimbalzare la luce tra loro. In questo modo l’arrivo dell’onda
gravitazionale è segnalato dal cambiamento del tempo impiegato dalla
luce per rimbalzare tra i due specchi.
Il sistema interferometrico
per onde gravitazionali utilizza raggi laser riflessi da specchi posti a
distanze chilometriche. Per dedurre la direzione di provenienza dei
segnali prodotti dal sistema binario, si utilizza il metodo della
triangolazione, come nel caso dei segnali del sistema satellitare GPS:
si sfrutta l’informazione raccolta da almeno tre rivelatori posti in
punti diversi della Terra. I tre sistemi sono, nel nostro caso, i due
interferometri LIGO negli Stati Uniti, a Livingston e a Hanford,
finanziati dall’americana National Science Foundation (NSF), che hanno
iniziato a raccogliere dati dopo i lavori di potenziamento a settembre
dello scorso anno, e Virgo, il rivelatore costruito in Italia, vicino a
Pisa, dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano e dal
Conseil National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese, che
rientrerà in attività anch’esso potenziato in autunno.
Il 14
settembre 2015, i due strumenti statunitensi, appena iniziata la nuova
presa dati, hanno osservato per la prima volta in modo diretto le onde
gravitazionali. È stata la collisione tra due buchi neri avvenuta un
miliardo di anni fa a provocare questo segnale: cosicché, oltre a
confermare l’esistenza delle onde gravitazionali, è stata fornita anche
la prima osservazione diretta della dinamica di un sistema di buchi
neri. L’evento è stato invisibile perfino ai telescopi più potenti
perché non è accompagnato da emissione di luce. A giugno del 2016 è
stata poi annunciata la rilevazione di un secondo segnale, prodotto
anche questa volta dalla fusione di due buchi neri, più leggeri dei
precedenti.
Questi fatti ci rivelano che per noi si sta aprendo
una nuova epoca di scoperte, un vero tesoro di nuove informazioni,
diverse da quelle che già possediamo tramite i telescopi ottici, radio,
infrarossi, UV, X o gamma, tutti basati sulla radiazione
elettromagnetica. Con la scoperta delle onde gravitazionali abbiamo
spalancato una finestra dalla quale ora possiamo osservare in modo
completamente nuovo il nostro universo.
– Coordinatore della collaborazione Virgo, INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, e Sapienza Università di Roma
Fulvio Ricci sarà a Sassuolo, Piazzale della Rosa, sabato 17 settembre alle ore 20.30
