Le onde gravitazionali: potremo vedere cosa è accaduto
durante il Big Bang?
Quali scoperte possono portarci la conoscenza delle onde
gravitazionali
di Antonella Ravizza - 06/05/2016
Le onde gravitazionali: potremo vedere cosa è accaduto
durante il Big Bang?
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!
Relatività Generale e Teoria della Gravitazione
>>> http://goo.gl/pJqixb
Maurizio Gasperini