Tutto quello che c’è da sapere sulla scoperta delle onde gravitazionali

Nel corso di due conferenze stampa svoltesi simultaneamente l’11
febbraio 2016 a Washington, presso il Laser Interferometer Gravitational-Wave
Observatory (LIGO), e a Cascina, in provincia di Pisa, presso l’European
Gravitational Observatory (EGO), è stata annunciata la scoperta, per la prima volta nella storia, delle onde gravitazionali teorizzate da
Albert Einstein nel 1915.

“Siamo riusciti a individuare le onde gravitazionali, ce l’abbiamo fatta”, ha riferito David Reitze, direttore esecutivo del Ligo,
confermando che si tratta esattamente di quanto ipotizzato da Einstein nella
sua teoria della relatività, di cui nel 2015 si è celebrato il centenario.

Anche
se tutti gli aspetti fondamentali di questa teoria, tra cui l’equivalenza
massa-energia, erano stati finora dimostrati, solo ora è possibile affermare
con prove certe l’attendibilità relativa all’esistenza di onde gravitazionali.

Secondo l’ipotesi dello scienziato tedesco, la gravità è dovuta alla
curvatura dello spazio-tempo generata dalla massa, e ogni spostamento di un
qualsiasi corpo dotato di massa causerebbe queste onde. Le onde gravitazionali
sono quindi increspature nello spazio-tempo, come quelle di una pietra lanciata
in uno stagno, risultanti però dall’accelerazione nello spazio di oggetti dalle
dimensioni enormi.

Ogni volta che ci alziamo dal letto, che camminiamo, che
spostiamo un oggetto, produciamo onde gravitazionali, ma più un evento è di
vasta portata, più grandi sono le onde gravitazionali che produce. Le onde attraversano dunque la Terra continuamente, ma non è
possibile notare la loro azione di distorsione dello spazio intorno a noi,
perché al momento del loro arrivo le loro vibrazioni sono di grandezza infinitesimale.

Eventi come il Big Bang o la formazione di buchi neri, ad
esempio, sono in grado di generare onde gravitazionali di una straordinaria portata energetica, ma
nonostante l’enormità di questi eventi, le variazioni causate dalle vibrazioni sono
inferiori alle dimensioni di un atomo.

(Qui sotto: un video dei fisici Umberto Cannella e Daniel Whiteson spiega – con sottotitoli in italiano – come funzionano le onde gravitazionali) 

La stella più vicina al di fuori del nostro sistema solare,
Proxima Centauri, si trova a 4,24 anni luce di distanza, ma le onde da essa
prodotte non sono abbastanza grandi per sperare di rilevarle con gli strumenti
oggi a disposizione. Quelle rilevate dal team di scienziati sono invece il
risultato della collisione avvenuta 1,3 miliardi di anni fa tra due buchi neri di
circa 150 chilometri di diametro, con una massa pari a 30 volte quella del sole, che
viaggiavano a metà della velocità della luce (150.000 km al secondo).

I due oggetti erano di dimensioni così notevoli che l’interazione delle loro gravità distorse lo spazio e il
tempo che li circondava come uno specchio deformante.

Ora, per la prima volta, queste onde minuscole generate da
eventi di questa portata sono state rilevate, e i fisici sono già concordi nel
considerare l’evento una delle più grandi scoperte del secolo. “È qualcosa
di enorme, tanto quanto la scoperta del bosone di Higgs”, ha dichiarato Cliff Burgess, fisico delle particelle presso la McMaster
University, che è affiliata al progetto LIGO. “Scommetto che vincerà il Nobel”.

(Nella foto qui sotto: il Dr. David Reitze, direttore del Ligo, durante la conferenza stampa dell’11 febbraio 2016. Credit: Reuters)

La scoperta spalanca infatti le porte a un nuovo modo di
studiare l’universo e i suoi fenomeni: fino a oggi, infatti, sono stati
osservati solo i segnali che le stelle, le galassie e i pianeti hanno emesso
nell’universo. Le onde gravitazionali, invece, possono permettere agli
studiosi di capire se esistono realmente alcuni fenomeni che abbiamo visto
finora solo nelle opere di fantascienza, come i tunnel spazio-temporali, che
metterebbero in collegamento tra di loro luoghi remoti dell’universo.

Il sistema utilizzato dal team Ligo per ottenere questo
risultato è stato costruire due rivelatori, uno a Livingston (Louisiana) e uno a
Hanford (Washington), calibrati in modo tale da rilevare spostamenti equivalenti a meno di 1/10.000
del diametro di un atomo.

Ciascun rivelatore consisteva di due tunnel lunghi 4
km, posizionati ad angolo retto tra loro. Una volta svuotato di ogni traccia d’aria,
nei tunnel viene sparato un raggio laser, che dopo essersi scisso nelle due
direzioni torna indietro riflesso e ricombinato in un raggio unico.

(Credit: Vox.com) 

A questo punto entrano in gioco le onde gravitazionali, che,
essendo in grado di distorcere lo spazio-tempo, seppur in maniera appena
percepibile, hanno fatto sì che i tempi in cui ogni laser percorreva quei
quattro chilometri differissero leggermente, modificando la traiettoria del
raggio in cui sono stati ricombinati i due fasci. Questo equivale a dire che uno dei due tunnel era stato temporaneamente “allungato” di una distanza infinitesimale rispetto all’altro, proprio a causa del “passaggio” di un’onda. 

“Si può pensare a Ligo come al righello più preciso mai creato”, ha scritto la rivista di astronomia Cosmos Magazine.

La distanza alla quale Ligo è in grado di captare il segnale di un’onda gravitazionale è di 225 milioni di anni luce, e i rivelatori sono due, uno in Louisiana e uno a Washington, proprio per far sì che, nel caso venga rilevata un’onda in uno dei siti, l’altro possa darne la conferma per evitare che si tratti di interferenze casuali.

(Nella foto qui sotto: il rivelatore del Ligo presente nello stato di Washington, Stati Uniti. Credit: Reuters)

(Qui sotto: il funzionamento dei rilevatori Ligo. Credit: Ansa) 

Trovare queste onde dà agli scienziati un nuovo modo di guardare
l’universo. Si potrebbe, per esempio, trovare indizi su ciò che è accaduto
frazioni di secondo dopo il Big Bang, le cui onde si propagano tuttora come un’eco
attraverso il tessuto della nostra realtà.

Szabolcs Marka, un collaboratore del Ligo, ha dichiarato al New York Times. “Fino ad oggi, il
campo dell’astronomia è sempre stato associabile a un occhio. Finalmente sono
cresciute le orecchie. Non abbiamo mai avuto orecchie prima”.

(Qui sotto: la conversione in suono delle onde gravitazionali captate per la prima volta lo scorso 14 settembre 2015. Credit: askanews)