La prima rilevazione delle onde gravitazionali

Tra le dieci scoperte dell’ultimo decennio, alla POSIZIONE 1 troviamo la prima rilevazione delle onde gravitazionali

Nel 2015, la coppia di interferometri statunitensi LIGO, distanti 3002 Km tra di loro, rileva la fusione di due buchi neri stellari. Si trattò della prima prova sperimentale dell’esistenza di questi misteriosi e mostruosi oggetti, ma anche la prima osservazione diretta dell’esistenza delle cosiddette onde gravitazionali! La fusione che originò il segnale avvenne a circa a 1.3 miliardi di anni luce dalla Terra, che raggiunse in data 14/9/2015, quando i rilevatori LIGO captano il segnale. Le onde urtano così prima un’antenna, poi l’altra, con uno sfasamento di 6.9 millisecondi, esattamente quanto ci si aspetta da un’onda che si propaga alla velocità della luce. Ma non solo.

Come si può notare dal grafico nell’immagine, si notò come I segnali captati dai due rilevatori si sovrapponessero alla perfezione, permettendo quindi di concludere che si trattava dello stesso segnale! Si notò inoltre come la durata dell’emissione captata fosse di 0.2 secondi, ovvero solo gli ultimi 0.2 secondi prima della fusione furono captati, quando la velocità di rotazione dei buchi neri raggiunge valori tali da emettere onde gravitazionali di intensità e frequenza alte abbastanza da rientrare nella finestra di sensibilità di LIGO. Infatti, risultò che i due buchi ruotavano a circa 30% di della velocità della luce a 0.2 secondi prima della fusione, per poi raggiungere addirittura il 60% quando mancavano pochi centesimi di secondo.

Ma cosa sono le onde gravitazionali?

Per capirlo, andiamo indietro nel tempo, fino al 1915, anno in cui Albert Einstein pubblica la Relatività Generale. Secondo questa teoria, in assenza di masse lo spazio è piano, ovvero le distanze tra i vari oggetti sono descrivibili tramite la geometria euclidea. Ma in presenza di masse, esso si incurva, avendo come conseguenza che, nel caso di un passaggio ravvicinato di un un oggetto o un raggio di luce, esso assume una traiettoria curva, seguendo la curvatura dello spazio. Ma non è finita qui. Nel 1916 Einstein scopre che le equazioni della Relatività Generale ammettono l’esistenza delle onde gravitazionali, ovvero lo spazio-tempo, incurvandosi, può oscillare, e queste oscillazioni si possono propagare.

Per capire meglio questo concetto, un esempio può essere dato da un maremoto, ovvero un terremoto che fa oscillare violentemente le terre sommerse da un oceano. In questo caso, il maremoto fa oscillare la superficie dell’oceano generando onde (spesso degli tsunami) che si propagano. Allo stesso modo il movimento di masse fa oscillare lo spazio-tempo generando onde gravitazionali, facendo allungare e accorciare (ovvero oscillare) la distanza tra gli oggetti che attraversano. Tale emissione di onde gravitazionali è in particolare molto efficiente nel caso in cui le masse sono molto compatte (generando quindi un campo di gravità molto intenso) e si muovono a velocità simili a quella della luce.

Come riconoscimento di questa rivoluzionaria teoria, Einstein fu premiato col Premio Nobel del 1921, a seguito della verifica sperimentale condotta da Sir Arthur Eddington, il quale confermò la curvatura dello spazio-tempo osservando la deviazione della luce delle stelle durante eclissi solare del 29 maggio 1919, esattamente come predetto da Einstein. Al tempo, non fu però ancora possibile ottenere delle evidenze osservative anche riguardo l’esistenza delle onde-gravitazionali. Si dovette aspettare fino al 1975, l’anno di Hulse e Taylor, scopritori del sistema binario PSR B1913+16, il primo sistema binario composto da due oggetti compatti, di cui una stella di neutroni, ad essere osservato. Fu una scoperta storica. Infatti, nel 1982, l’osservazione di tale oggetto portò Taylor e Weisberg scoprire che il sistema binario stava perdendo energia in modo consistente con l’emissione di onde gravitazionali! In particolare, le due componenti spiraleggiano, ovvero ruotano l’una intorno all’altra diminuendo la distanza, ma in un modo molto particolare. Infatti, la spirale accelera sempre più, in quanto emettendo onde essi dissipano l’energia gravitazionale del sistema e si avvicinano, ma avvicinandosi aumentano la loro velocità di rotazione (in modo simile a quanto descritto dalla Seconda Legge di Keplero), che aumenta l’emissione di onde gravitazionali e cosi via.

Si ottenne così il primo robusto indizio dell’esistenza di queste onde onde che, come detto, vennero poi osservate sperimentalmente nel 2015. Fu quindi una scoperta sensazionale e storica, a mio parere (e non solo) la più monumentale e significativa del decennio passato, e probabilmente anche degli ultimi 20/30 anni. Innanzitutto rappresentò l’ennesimo, e forse più severo, test superato dalla Relatività Generale, validandole ulteriormente. Ricordiamoci che la condizione minima necessaria per capire almeno i fondamentale del nostro universo sulla grande scala è conoscere la Relatività di Einstein, ovvero l’ABC della Cosmologia. Ma non solo… questa scoperta spalancò le porte di una nuova era dell’Astronomia multicanale. A ben vedere essa ha avuto già momenti memorabili in passato (pensiamo all’analisi multicanale della Supernova 1987A, tramite neutrini e onde elettromagnetiche), ma era ancora “zoppa” fino al contributo di LIGO e VIRGO. Ora, possiamo anche contare sull’osservazione delle oscillazioni dello spazio-tempo per andare sempre più in profondità nel nostro viaggio di scoperta del cosmo.

Con questo articolo, termina la serie dedicata a #le10scoperte.

Riferimenti:

B.P.Abbot et al, Physical Review Letters, 116, 061102, 2016Hulse and Taylor, The Astr. Journal 195, L51-53, 1975Taylor and Weisber, The Astr. Journal 253, 908-920, 1982

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