Nelle ultime settimane in tanti mi hanno chiesto di spiegare cosa fossero queste famose onde gravitazionali, mentre su facebook si moltiplicavano gli status “fantascientifici”

Se non ho capito male adesso possiamo realizzare i motori a curvatura di Star Trek e con un po’ di impegno possiamo pure viaggiare nel tempo.

Ma io sono un ingegnere, quindi mi sono messa a studiare e sono qui a tentare di spiegarvi quella che in molti studiosi hanno definito la scoperta del secolo. Poco prima di Natale, durante la colazione creativa di Creative Mornings, mi ritrovavo a chiacchierare con Andrea Pettinelli dello spaziotempo e della Teoria della Relatività Generale di Einstein. Passano appena due mesi e l’11 febbraio (che per me è già una data da celebrare perché è la giornata mondiale delle donne nel settore scientifico) dall’America arriva la conferma dell’esistenza delle onde gravitazionali.

Ma cosa sono queste onde gravitazionali?

Ripartiamo dal concetto che avevamo approfondito con Andrea: lo spaziotempo è paragonabile a un tessuto su cui poggiano i vari corpi celesti (stelle, pianeti,ecc.) che con il loro peso lo modificano. Le onde gravitazionali sono le increspature di questo tessuto e si propagano alla velocità della luce. Quando due corpi, che ruotano uno attorno all’altro, accelerano, si avvicinano fino a scontrarsi producendo, così, queste onde teorizzate da Einstein nel 1916, ma rilevate solo cento anni dopo. Perché così tardi? Queste onde sono debolissime, quindi sono difficilissime da rilevare. Ciò vuol dire che servono masse molto grandi ed accelerazioni enormi per produrre delle onde gravitazionali che forse possono essere rilevate. Per questo motivo la ricerca si sta concentrando sulle onde gravitazionali emesse dalla coalescenza (impropriamente detta collisione) di corpi celesti grandi, come possono essere i buchi neri.

black holes collisione per rilevazione onde gravitazionali

I buchi neri sono il risultato del collasso di stelle molto pesanti in cui la forza di gravità è talmente intensa che nulla può sfuggirgli, né la materia né la luce. Questi corpi assorbono tutto, ma non emettono nulla, perciò non possono essere osservate con i telescopi standard, ma si intuisce la loro presenza della rotazione che hanno gli altri corpi celesti intorno a loro.

Ma perché siamo così interessati a questo tipo di onde?

L’interesse cosmologico è enorme perché le onde gravitazionali attraversano la materia, quindi potremmo riuscire non solo a studiare il cosmo con più dettaglio e maggiore profondità, ma anche a capire l’evoluzione e il passato dell’Universo. E ogni volta che si trova un modo nuovo di osservare l’Universo, si fanno scoperte inaspettate. Ma come dicevo prima, le onde gravitazionali, a differenza delle altre sorgenti di informazione cosmologica (la luce visibile, i raggi X e i raggi gamma), sono debolissime e sono facilmente confondibili con il rumore di fondo degli strumenti. Bisogna quindi sviluppare degli algoritmi di analisi in modo da far emergere questo segnale dal rumore di fondo. Queste onde comportano una variazione dello spazio di 10^(-22) metri: per capirci è come se una lunghezza di un metro si deformasse di un milionesimo di un miliardesimo di miliardesimo di centimetro. Assurdo!

Il giorno della la scoperta

Il 14 settembre dello scorso anno gli interferometri di LIGO sono riusciti per la prima volta nella storia a rilevare questo tipo di onde. I fisici statunitensi sono riusciti a captare questo segnale, che era talmente perfetto (aveva esattamente l’andamento che si aspettavano dalle varie simulazioni teoriche) che ci sono voluti mesi di analisi per assicurarsi che non si trattasse di un errore. Ed ecco che a febbraio è uscita la notizia ufficiale. Ma perché solo ora si è riusciti a captare queste onde? Per due diversi motivi:

  • Solo dall’autunno scorso sono in uso gli interferometri di seconda generazione, quindi ben più sensibili dei precedenti.
  • Le onde sono state generate dalla coalescenza di due buchi neri enormi (uno aveva una massa di circa 36 volte la massa del Sole, mentre l’altro circa 29 volte quella della nostra stella), che si sono scontrati con una velocità anch’essa enorme (circa la metà della velocità della luce, che per chi non lo ricordasse è di 300 mila km al secondo) e che alla fine hanno generato un buco nero di circa 62 masse solari. Ciò vuole dire che le tre masse solari che si sono perse durante la coalescenza si sono interamente trasformate in energia sotto forma di onde gravitazionali.

Cosa sono LIGO e VIRGO? Gli interferometri, questi sconosciuti

interferometri LIGO per misura onde gravitazionali

I due interferometri LIGO: LIGO Hanford e LIGO Livingston Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab

LIGO è l’interferometro statunitense (in realtà si tratta di due rivelatori, uno in Louisiana e uno nello stato di Washington), mentre VIRGO è quello italiano dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) che si trova a Cascina in Toscana. Questi strumenti sono dei tunnel lunghi chilometri in cui si usano dei fasci laser (e una molteplicità di specchi per poter allungare il cammino del fascio laser riflettendolo) per misurare le differenze di lunghezza. Al passaggio di un’onda gravitazionale, lo spazio si dilata lungo una direzione, mentre si contrae nell’altra. Misurando, con estrema precisione, l’interferenza tra i fasci laser che sono riflessi da una parte all’altra dell’interferometro, si può misurare se lo spazio tra le estremità si è dilatato o ristretto. Una variazione di dimensione evidenzia che c’è stato il passaggio di un’onda gravitazionale!

Qual è il futuro di questa ricerca?

Oltre alla costruzione di altri rivelatori terrestri, uno in India e uno in Giappone, la ricerca si sta orientando verso lo spazio. Con il progetto eLISA si vuole mandare in orbita un interferometro gravitazionale spaziale, che così non sarà soggetto al rumore sismico, che è la prima causa della scarsa sensibilità degli strumenti qui sulla Terra. Con minore rumore di fondo, si potranno intercettare segnali astrofisici gravitazionali con frequenze minori, provenienti da eventi cosmici più piccoli e quindi più frequenti. Con una maggiore conoscenza delle onde gravitazionali, si potrà studiare il cosmo da un punto di vista completamente diverso. Ma le sfide tecnologiche da superare sono molteplici e complicate, il lancio di eLisa non è previsto prima del 2032!

onde gravitazionali satelliti eLISA

I tre satelliti eLISA saranno posti in orbita a formare un triangolo di lato un milione di chilometri
Credit: AEI/MM/exozet