Scoperte le onde gravitazionali
SCIENZA 11 Febbraio Feb 2016 1845 11 febbraio 2016

Onde gravitazionali, le cose da sapere

Che cosa sono. Cosa le ha originate. Chi le ha individuate. Cosa ci spiegheranno. Tutto quello che bisogna conoscere per capire la "scoperta del secolo".

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È già stata dichiarata la scoperta del secolo, e tutto il mondo ha assistito al suo annuncio in diretta. Le onde gravitazionali, previste da Einstein cento anni fa, esistono e sono state captate da strumenti ad altissimo livello dopo decenni di ricerche.

Ecco tutto quello che c'è da sapere sulle onde:

Cosa sono? Vibrazioni dello spazio tempo

Ipotizzate un secolo fa dalla teoria della relatività di Albert Einstein, le onde gravitazionali sono le 'vibrazioni' dello spazio-tempo provocate da fenomeni molto violenti, come collisioni di buchi neri, esplosioni di supernovae, o lo stesso Big Bang, che ha dato origine all'universo.
ONDE ALLA VELOCITÀ DELLA LUCE. Come le onde generate da un sasso che cade in uno stagno, le onde gravitazionali percorrono l'universo alla velocità della luce creando increspature dello spazio-tempo finora invisibili.

  • Una simulazione del moto dei due buchi neri e le onde da essi generate.

Cosa le ha generate? La collisione tra due buchi neri

È stata la collisione tra due buchi neri, avvenuta un miliardo di anni fa, a provocare il primo segnale delle onde captato dagli studiosi. Il risultato è doppiamente sorprendente perché, oltre a confermare l'esistenza delle onde gravitazionali, fornisce anche la prima prova diretta dell'esistenza dei buchi neri.
«Abbiamo osservato il primo evento in assoluto nel quale una collisione non produce dati osservabili, se non attraverso le onde gravitazionali», ha dichiarato Fulvio Ricci, il coordinatore di Virgo (una delle due 'antenne' usate per captare le onde). Il tutto, ha aggiunto, «è durato una frazione di secondo, ma l'energia emessa è stata enorme, pari a 3 masse solari».

  • Una simulazione dello scontro tra i due buchi neri che hanno originato le onde gravitazionali captate da Ligo.

I due buchi neri formavano una 'coppia', ossia un sistema binario nel quale l'uno ruotava intorno all'altro. «Avevano una massa rispettivamente di 36 e 29 volte superiore a quella del Sole. Si sono avvicinati ad una velocità impressionante, vicina a quella della luce. Più si avvicinavano, più il segnale diventava ampio e frequente, come un sibilo acuto; quindi è avvenuta la collisione, un gigantesco scontro dal quale si è formato un unico buco nero. La sua massa è la somma di quelle dei due buchi neri, ad eccezione della quantità liberata sotto forma di onde gravitazionali».

Cosa ci forniranno? Informazioni dell'evento scatenante

Poiché interagiscono molto poco con la materia, le onde gravitazionali conservano la 'memoria' degli eventi che le hanno generate.
ACCESSO A PORZIONI DELL'UNIVERSO INVISIBILI. La loro esistenza era supportata finora solo da prove indirette, ma da adesso diventa possibile osservarle in modo diretto e con esse studiare una porzione dell'universo finora invisibile e misteriosa, come le zone popolate dai buchi neri o da fantascientifiche 'scorciatoie' per viaggiare nell'universo, i cosiddetti 'cunicoli' dello spazio-tempo (wormhole).

Ligo, l'apparecchio che ha rilevato le onde (Ansa).

Da chi sono state scoperte? Collaborazione Euro-americana

Le onde sono state rilevate dallo strumento Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), in Usa, e i dati sono stati analizzati dalle collaborazioni internazionali Ligo e Virgo.
IL CONTRIBUTO EUROPEO. Quest'ultima, un'antenna gemella, fa capo allo European Gravitational Observatory (Ego) fondato e finanziato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e dal Consiglio nazionale delle ricerche francese (Cnrs).

Quando sono stati rilevati i primi segnali? Il 14 settembre 2015

Il primo segnale che conferma l'esistenza delle onde gravitazionali è stato rilevato da Ligo il 14 settembre 2015 alle 10, 50 minuti 45 secondi (ora italiana), all'interno di una finestra di appena 10 millisecondi. «Avevamo in mano l'indicazione di aver registrato qualcosa di molto significativo», ha dichiarato Ricci.
IL SEGNALE DI LIGO RILEVATO IN EUROPA. Il segnale rilevato da Ligo è stato intercettato in Europa, dall'italiano Marco Drago, mentre era ad Hannover, di turno nel centro di calcolo nel quale arrivano i dati delle collaborazioni americana e italiana. Drago ha immediatamente mandato una mail: «C'è un grosso evento, per caso è successo qualcosa di strano nell'interferometro?». «È stato subito chiaro che si trattava di qualcosa di nuovo», ricorda Ricci.

Una veduta dell'impianto Virgo, gemello di Ligo (Ansa).

Come funzionano Virgo e Ligo? Fasci laser sensibili alle variazioni

Virgo e Ligo, due strumentazioni gemelle, sono costituiti da due bracci gemelli lunghi tre chilometri , nei quali, all'interno di tubi a vuoto, viaggiano due fasci laser ottenuti dividendo in due un unico fascio con uno specchio. All'interno di ogni tunnel, i fasci laser vengono riflessi da speciali specchi che li fanno viaggiare avanti e indietro per centinaia di volte, allungandone il percorso fino a 300 chilometri.
LA DIFFERENZA TRA I FASCI SEGNALA L'ONDA. Quando le due metà dei fasci laser tornano a unirsi, si produce una figura d'interferenza. Vale a dire che se uno dei due fasci laser viene colpito da un'onda gravitazionale, può allungarsi o accorciarsi rispetto all'altro. Questa tecnica permette di rilevare variazioni piccolissime, delle dimensioni di un miliardesimo del diametro di un atomo.

Una delle primissime macchine per captare le onde gravitazionali, progettata da Joseph Weber negli anni '60.

Chi le aveva previste? Einstein e i suoi successori

La scoperta delle onde gravitazionali è anche la conferma definitiva della teoria della relatività generale. Erano infatti l'unico fenomeno previsto da questa teoria a non essere stato ancora osservato. Secondo Einstein, quando una qualsiasi massa (che sia un sasso, una stella o un buco nero) viene accelerata, emette onde gravitazionali. Sono segnali molto deboli e complicati da osservare perchè fanno 'oscillare' tutto lo spazio-tempo, compresi gli strumenti che dovrebbero rilevarli.
I PRIMI STRUMENTI NEGLI ANNI '60. Riuscire a vederle è stata considerata a lungo una sfida impossibile. Nonostante ciò negli anni '60 il fisico americano Joseph Weber mise a punto un strumento che teoricamente avrebbe potuto rivelare 'l'impossibile'. Erano due grandi antenne cilindriche distanti fra loro 1.000 chilometri che, se attraversate da un'onda gravitazionale, avrebbero oscillato con un piccolo ritardo l'una rispetto all'altra.
L'esperimento fallì ma dette inizio alla sfida.

  • La scoperta spiegata dal Mit (Massachusetts Institute for Technology).

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