Le onde gravitazionali finalmente svelate: Einstein aveva ragione!

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Il giorno 11 Febbraio 2016 passerà alla storia perché finalmente, dopo un secolo di ricerche, sono state rivelate le onde gravitazionali, cioè le increspature nello spazio-tempo dovute alla presenza di masse in movimento accelerato.
Franco Battiato, il celebre compositore catanese, dedicò una frase della sua magnifica canzone “La Cura” al superamento delle “correnti gravitazionali” e “dello spazio e della luce” per impedire l’invecchiamento del suo amore. Una perifrasi poetica per spiegare in maniera assolutamente corretta un fatto oggettivo: la contrazione dello spazio e la dilatazione del tempo causate dal movimento dei corpi previste dalla Teoria della Relatività di Einstein (“le leggi del mondo”).

Una dimostrazione di ciò proviene dall’esperimento dell’orologio che, messo in volo per un periodo di tempo, rallenta della quantità prevista dalla Teoria. Anche il paradosso dei gemelli aiuta a capire questa situazione: se di due gemelli uno viene mandato nello spazio e poi torna sulla Terra, a seconda della velocità con cui ha viaggiato e quanto spazio ha percorso, è più giovane del gemello rimasto sulla Terra (per lui il tempo è trascorso più lentamente, cioè si è dilatato). Ne sono stati pensati innumerevoli di “gedankenexperiment”, cioè di esperimenti concettuali, per spiegare la Teoria, ma finora nessuno aveva realizzato un esperimento per rivelare le onde gravitazionali che ne sono una conseguenza automatica, a causa della debolezza della loro intensità.

Ma cosa sono queste onde gravitazionali e perché sono sempre sfuggite ai ricercatori scientifici in questi 100 anni di storia? O meglio, cosa sono le onde? Facendo riferimento al concetto di campo in Fisica, le onde sono la rappresentazione concreta del campo: per descrivere un campo si scrivono le equazioni delle sue onde. Così quando si propaga il suono in realtà quello che succede è che la particelle del mezzo di propagazione (l’aria, in questo caso) vengono sollecitate e vibrano rispetto ad una posizione di equilibrio, generando le onde (sonore, in questo caso).
Ogni campo genera le sue onde: il campo elettromagnetico genera le onde la cui descrizione viene fatta dalle equazioni di Maxwell. Anche il campo gravitazionale ha le sue onde, descritte dal tensore quadridimensionale di Einstein. La differenza sostanziale sta nel fatto che le onde gravitazionali sono immensamente più deboli di quelle elettromagnetiche, per cui la loro rivelazione ha comportato delle difficoltà enormi. Ma non è tutto: qualsiasi sistema di riferimento, appartenendo allo stesso spazio-tempo in cui sono immerse le onde gravitazionali, viene deformato parimenti, per cui occorre usare l’unico strumento di misura che non varia in nessun sistema di riferimento: la luce, che si propaga sempre ad una velocità di circa 3*108 m/s, per qualsiasi osservatore.
Ogni corpo, per il semplice fatto di avere una massa, perturba lo spazio-tempo in cui è immerso, generando delle onde dette gravitazionali. Questo, che finora era solo una Teoria, adesso è stata dimostrata come fatto vero e incontrovertibile.


Veduta aerea dell’interferometro LIGO. Il braccio dell’interferometro Hanford si incunea nel deserto per 4 km. Foto Caltech / MIT / LIGO Lab)

Con l’esperimento LIGO, acronimo di Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Osservatorio ad Interferometria Laser delle Onde Gravitazionali) negli Stati Uniti, e con l’esperimento EGO-VIRGO (European Gravitational Observatory) [1] a Cascina (PI) in Italia, alcuni scienziati hanno dimostrato con una accuratezza del 5 sigma (cioè con l’accuratezza comunemente accettata per dimostrare un’ipotesi scientifica) la presenza di questo nuovo tipo di onde, utilizzando come strumento di misura la velocità della luce e misurandone la deviazione. A seconda di come la luce viene deviata a causa della presenza delle masse il sistema misura l’intensità delle onde gravitazionali generate.
Ma quali masse prendere in considerazione per rivelarne le onde?
Una collisione di due buchi neri, la formazione di una stella di neutroni o il rumore di fondo del Big Bang sono degli ottimi candidati. Tutto è iniziato dalla scoperta di Hulse e Taylor che nel 1993 portò loro il Premio Nobel per la Fisica: una coppia binaria di stelle di neutroni, denominate PSR1913+16, che sono a 21.000 anni luce da noi e che vibrano l’una intorno all’altra; il loro periodo orbitale diminuisce di una quantità pari a quella prevista a causa della formazione di onde gravitazionali derivanti dalla Teoria di Einstein. Analizzando altre coppie binarie di stelle di neutroni gli effetti si sono rivelati simili, confermando la Teoria.

Negli esperimenti LIGO ed EGO sono stati studiati gli effetti gravitazionali dell’interazione di due buchi neri, rispettivamente di 36 e 29 masse solari, che hanno collassato alla velocità di circa 150.000 Km/s (la metà della velocità della luce), dando origine ad un unico buco nero di massa 62 masse solari: la massa mancante (circa 3 masse solari) si è trasformata in energia generando delle onde gravitazionali che sono state rivelate dagli interferometri.
Una scoperta sensazionale che dà ragione ad Einstein anche per l’ultimo tassello della sua Teoria, che ad oggi, con la conferma sperimentale di LIGO e EGO, si può considerare vera.

Giusto un esempio di applicazione della Teoria della Relatività Generale di Einstein al moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole: per il moto orbitale della Terra intorno al Sole, per le masse in gioco e le accelerazioni centripete e tangenziali, la Terra dissipa 0.2 kW di potenza all’anno, per cui perde dell’energia cinetica, che la porta ad avvicinarsi al Sole ogni anno; occorreranno circa 8*1023 anni per vedere la Terra collassare sul Sole a causa della dissipazione di onde gravitazionali; bene, il Sole ha un’età di circa 5*109 anni e si stima possa ancora vivere per altrettanto tempo, per cui l’effetto dell’emissione di energia gravitazionale della Terra rispetto al Sole è trascurabile di almeno 13 ordini di grandezza quando viene confrontata con gli effetti di tipo elettromagnetico. Per cui non ci può far paura in alcun modo!
Questo è solo l’inizio di una ricerca che coinvolgerà sempre più fisici, anche italiani; una conferma del fatto che in Italia, nonostante tutte le difficoltà, esistono ancora delle eccellenze riconosciute in campo internazionale!
Enrico Cirillo

[1] Osservatorio Gravitazionale Europeo, e Variation of Solar Irradiance and Gravity Oscillations, ossia Variabilità di Radiazione Solare e Oscillazione di Gravità, o anche il nome latino dell’Ammasso della Vergine in cui sono presenti i sistemi binari che sono studiati

La foto di copertina Caltech / MIT / LIGO Lab

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