Onde Gravitazionali e Relatività Generale: un secolo di scoperte rivoluzionarie

Come a volte capita ancora oggi, un secolo fa in molti si saranno chiesti a cosa mai avrebbe portato, o anche solo a cosa sarebbe mai potuto tornare utile, studiare degli astrattissimi concetti riguardo le onde gravitazionali nell’universo.

Lo studio del sistema triplo PSR J0337+1715, pubblicato appena 10 giorni fa, non fu il primo studio di un sistema stellare ad essere usato come un importante test (superato) della solidità della Relatività Generale di Einstein. C’è infatti un precedente celebre, risalente al 1975, anno in cui Hulse e Taylor osservano per la prima volta un sistema binario con una stella di neutroni. Fu una scoperta dalle conseguenze epocali, che porto` alla prima prova dell’esistenza delle onde gravitazionali, della quale parleremo oggi. Ma prima di arrivarci, occorre una breve contestualizzazione, sia storica che di contenuto.

Nel 2015, la coppia di interferometri statunitensi LIGO, distanti 3002 Km tra di loro, rileva la fusione di due buchi neri stellari. Si tratto` 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 origino` 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 cosi` 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 velocita` della luce. Ma non solo… come si puo` notare dal grafico nell’immagine, si noto` come I segnali captati dai due rilevatori si sovrapponessero alla perfezione, permettendo quindi di concludere che si trattava dello stesso segnale! Si noto` 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 velocita` di rotazione dei buchi neri raggiunge valori tali da emettere onde gravitazionali di intensita` e frequenza alte abbastanza da rientrare nella finestra di sensibilita` di LIGO. Infatti, risulto` che i due buchi ruotavano a circa 30% di della velocita` 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 e’ piano, ovvero le distanza 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 e’ finita qui: nel 1916 Einstein scopre che le equazioni della Relatività Generale ammettono l’esistenza delle onde gravitazionali, ovvero lo spazio-tempo, incurvandosi, puo’ oscillare, e queste oscillazioni si possono propagare. Per capire meglio questo concetto, un esempio puo’ essere dato da un maremoto, ovvero un terremoto che fa oscillare violentemente le terre sommerse di 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) le distanze tra gli oggetti che attraversano. Tale emissione di onde gravitazionali e’ in particolare molto efficiente nel caso in cui le masse sono molto compatte (generando quindi un campo di gravita’ molto intenso) e si muovono a velocita’ simili a quella della luce.

La scoperta di Hulse e Taylor

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 confermo` 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 pero` ancora possibile ottenere delle evidenze osservative anche riguardo l’esistenza delle onde-gravitazionali, e si dovette appunto 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 porto` 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 piu`, in quanto emettendo onde essi dissipano l’energia gravitazionale del sistema e si avvicinano, ma avvicinandosi aumentano la loro velocita` 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 cosi` la prima robusta evidenza dell’esistenza di queste onde onde che, come detto, vennero poi osservate sperimentalmente nel 2015.

Referenze:

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