Onde gravitazionali, un progetto da Nobel tra USA e Italia

L’osservazione di onde gravitazionali è un traguardo molto importante nella storia dell’umanità, poiché rappresenta la prova empirica di ciò che Einstein aveva teorizzato nel 1916 con la teoria della relatività. Per questo motivo il 3 ottobre 2017 è stato assegnato il premio Nobel per la fisica a Rainer Weiss, Narry C. Barish e Kip S. Thorne. I tre scienziati hanno avuto un ruolo fondamentale nello sviluppo e nelle ricerche legate a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, osservatorio statunitense di onde gravitazionali dotato di 2 interferometri), progetto a cui lavorano da 40 anni, rendendo possibile l’osservazione di onde gravitazionali e confermando gran parte delle teorie einsteiniane.

Anche l’Italia raggiunge un importante traguardo in questo campo: VIRGO, l’osservatorio dell’università di Pisa, ha rilevato per la prima volta, la scorsa settimana, segnali di onde gravitazionali, rilevati anche da LIGO. I due osservatori collaborano da molti anni, infatti anche il primo rilevamento statunitense (nonché primo della storia), che risale al 14 settembre 2015, fu annunciato ufficialmente da entrambe l’11 febbraio 2016; i dati raccolti grazie ai 3 interferometri (due statunitensi e uno italiano) vengono analizzati da scienziati di tutto il mondo.

Cerchiamo ora di fare un po’ di chiarezza sull’argomento.

Cos’è un interferometro?
Entrambi gli osservatori sopracitati, VIRGO e LIGO, utilizzano uno strumento chiamato interferometro, ossia un sistema di due tubi a vuoto, perpendicolari tra loro, attraversati da fasci di luce laser. In uno dei due tubi è posta la sorgente laser, la cui luce attraversa una piccola sezione del condotto fino a giungere nell’intersezione tra i due tubi. Qui il fascio bosonico di luce attraversa uno specchio semi-riflettente (beam splitter), dividendosi in 2 fasci distinti. A questo punto i raggi attraversano i condotti (lunghi pochi chilometri), alla cui estremità è posto uno specchio. In condizioni normali, dunque, i fasci riflessi di nuovo verso il beam splitter si annullano a vicenda (avendo percorso uguali distanze, mantengono la stessa fase). Se invece il dispositivo venisse attraversato da un’onda gravitazionale, a causa della distorsione dello spazio-tempo, i due fasci percorrerebbero distanze differenti, quindi non si annullerebbero e i fotoni colpirebbero un sensore foto-sensibile.

Cosa s’intende per “distorsione dello spazio-tempo”?
Lo spazio-tempo, teorizzato da Einstein nella prima metà del ‘900, ha fatto crollare i concetti di spazio e tempo assoluti (cioè uguali in ogni sistema di riferimento) e distinti, i quali verranno identificati come un tutt’uno nel cronotopo (o spazio-tempo), la struttura quadrimensionale dell’universo. Il modo più semplice ed efficace di illustrare questo concetto è con una similitudine: immaginiamo un lenzuolo tenuto “in tensione” alle due estremità: tale superficie rappresenta il cronotopo. La metafora funziona benissimo perché, posizionando una pallina sulla superficie, noteremo la formazione di un avvallamento; posizionando in prossimità della depressione un’altra piccola massa, questa si avvicinerà alla prima. Il banalissimo esperimento rende (almeno in parte) la teoria sullo spazio-tempo einsteiniana: non solo ci suggerisce che la massa determina una distorsione nella struttura dell’universo, ma anche che la gravità stessa è una conseguenza di questo fenomeno.

Immagine esplicativa del fenomeno, possiamo vedere come la distorsione (schematizzata in due dimensioni) aumenti con l’aumentare della massa

Le onde gravitazionali sono provocate, dunque, da ogni oggetto fornito di massa, e sono una diretta conseguenza della deformazione che questo causa sul cronotopo (un po’ come quando lanciamo una pietra in uno stagno), ma solo onde le più forti provocano distorsioni tali da poter essere rilevate con gli strumenti attuali. Considerando che la deformazione è direttamente proporzionale alla massa, fronti d’onda particolarmente intensi possono essere provocati da repentine variazioni della distribuzione di enormi masse nell’universo, come l’esplosione di supernove o la collisione tra buchi neri (è proprio questo il fenomeno rilevato dagli interferometri terrestri). Lo studio di queste onde è di vitale importanza per scoprire i segreti dei buchi neri, molto complessi e difficilmente osservabili, i quali possono rivelarci informazioni sull’universo e sulla sua creazione. Lo sviluppo di interferometri più sensibili, inoltre, può portare grandi vantaggi anche in altri ambiti -ad esempio nella previsione dei terremoti- fornendoci la tecnologia necessaria per rilevare le onde che viaggiano attraverso il nostro pianeta.

Onde gravitazionali provocate da due masse orbitanti in un sistema binario

Fonti
The Guardian: https://www.theguardian.com/science/2017/sep/27
ANSAhttp://www.ansa.it/canale_scienza_tecnica
Nobelprize.orghttps://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates

Sull’Autore

'98. Una persona comune appassionata di scienza, nient'altro.

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