Cosa sono le onde gravitazionali?
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Antonella Ravizza - 01/01/2016
Ancora una volta Albert Einstein ha avuto ragione! Nel 1916 Einstein ha previsto per via teorica l’esistenza delle onde gravitazionali che lo scorso 14 settembre 2015 sono state effettivamente rilevate in modo diretto da due strumenti gemelli Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO), negli Stati Uniti a Livingston (in Louisiana) e a Hanford (nello stato di Washington). I due osservatori hanno registrato l’arrivo delle onde gravitazionali quasi contemporaneamente, a distanza di 10 millisecondi l’uno dall’altro. Questo importante risultato è stato ottenuto non solo grazie ai dati dei due rilevatori LIGO citati sopra, ma anche alla collaborazione VIRGO, che fa capo allo European Gravitational Observatory (EGO), fondato dall’Istituto nazionale di fisica nucleare italiano e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese.
Cosa sono le onde gravitazionali?
Secondo la teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, la gravità è una manifestazione della curvatura dello spazio-tempo. Lo spazio-tempo è molto difficile da immaginare, ma potrebbe assomigliare ad un tessuto a quattro dimensioni, tre spaziali e una temporale. Secondo la Relatività Generale esso occupa tutto l’universo, viene deformato dai corpi e perturbato da masse in movimento. Queste perturbazioni sono appunto le onde gravitazionali prodotte quando abbiamo due oggetti che ruotano uno attorno all’altro e che si avvicinano, accelerando la loro rotazione, fino al punto di scontrarsi. Anche due persone che dovessero iniziare a ruotare una attorno all’altra genererebbero delle piccole increspature nello spazio-tempo, ma sarebbero così piccole da essere impercettibili.
La forza della gravità e le onde gravitazionali
La forza di gravità è una forza molto debole, quindi per produrre delle increspature abbastanza grandi da essere rilevate occorrono masse molto massicce, come stelle o buchi neri, che ruotino molto velocemente l’uno attorno all’altro. Questo succede perché la massa curva lo spazio-tempo, come succede quando posizioniamo un oggetto su un lenzuolo teso. Se la materia è in movimento, allora ci aspettiamo una perturbazione oscillatoria dello spazio-tempo, come le onde che si formano in uno stagno quando un oggetto si sposta in esso. Queste perturbazioni nello spazio-tempo sono chiamate onde gravitazionali: esse viaggiano alla velocità della luce e interagiscono in modo trascurabile con la materia che incontrano. Il problema è misurarle, perché se trovassimo anche un metro per poter misurare queste deformazioni dello spazio-tempo, anche il metro subirebbe la deformazione.
La velocità della luce e le onde gravitazionali
L’unico metro che non subisce dilatazioni è la velocità della luce. Se lo spazio si dilata o si accorcia, la luce impiega più o meno tempo a percorrerlo ed è su questo che hanno lavorato i due laboratori LIGO e VIRGO. Questi infatti sono speciali rilevatori costituiti da tunnel lunghi quattro km (LIGO) o tre km (VIRGO) al cui interno sono fatti propagare fasci laser, riflessi da specchi per allungarne il percorso, e quindi ricombinati a formare una figura di interferenza. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometro produce una variazione nella lunghezza dei bracci: uno si allunga mentre l’altro si accorcia. Queste variazioni di lunghezza, che sono molto più piccole del diametro del nucleo di un atomo, producono uno sfasamento della luce laser che viene osservato dal rivelatore. La cosa che stupisce molto è che probabilmente siamo immersi in un mare di onde gravitazionali, dovute a fenomeni presenti nella nostra galassia e nell’universo, ma è molto difficile misurarle, perché servirebbero strumenti molto precisi.
Onde gravitazionali: facciamo un esempio pratico
Facciamo un piccolo esempio per capire di che numeri stiamo parlando: un’onda gravitazionale che dovesse passare attraverso il nostro corpo lo potrebbe allungare o accorciare di 0,000000000000001 metri, e più ci si allontana dalla sorgente e più le onde si indeboliscono, esattamente come avviene con le increspature di un sasso che cade in uno stagno. Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari: le 3 masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I due buchi neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce.
Perché la scoperta ha destato così scalpore nel mondo della scienza? Ecco la risposta: perché con esse si potrebbero studiare fenomeni non visibili con altri strumenti, addirittura si potrebbe studiare il Big Bang. La luce e le altre radiazioni iniziarono ad emergere solo 300000 anni dopo il Big Bang, ma con le onde gravitazionali si potrebbe andare molto vicini alla grande esplosione e capire cose che oggi neppure immaginiamo!
