Confermate le onde gravitazionali: Einstein aveva ragione.

Albert Einstein, 1916

I ricercatori del progetto LIGO, del Caltech (California Institute of Technology), hanno annunciato oggi 11 febbraio 2016 che le onde gravitazionali, previste da Einstein nel 1916 (un secolo fa), esistono davvero. La scoperta, avvenuta il 14 settembre scorso ma annunciata solo adesso per via delle severissime verifiche, è straordinaria e tutti i fisici la aspettavano da tempo. Ci fornisce infatti un nuovo modo di vedere l'universo.

Finora abbiamo visto l'universo solo tramite le radiazioni elettromagnetiche: onde radio, microonde, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X, raggi gamma. Ora possiamo vederlo letteralmente sotto una nuova luce (e, come vedremo, le informazioni che possiamo ricavarne sono tantissime).

Le onde gravitazionali, secondo la teoria di Einstein, sono prodotte dalle masse che accelerano. Così come una nave che si muove solleva onde che si propagano sulla superficie dell'acqua, ogni volta che una massa accelera produce delle increspature gravitazionali nello spazio-tempo (il che avviene in effetti sempre perché la gravità ha portata infinita e il suo effetto è appunto accelerare i corpi). Queste onde si muovono nel tessuto spaziotemporale stesso deformandolo al loro passaggio. Con lo spazio-tempo si deformano gli stessi oggetti attraversati dalle onde. Quando una attraversa il vostro corpo, questo subirà uno stiramento e poi una contrazione e ciò avviene di continuo. Come mai non ce ne accorciamo?

Perché la deformazione è piccolissima ed è questo il motivo per cui finora non erano state trovate le onde gravitazionali: mancava la tecnologia per poterle misurare. Basti pensare che che il livello di precisione richiesta per questa scoperta è stata dell'ordine di grandezza dello spessore di un capello rispetto alla distanza tra il Sole e la stella più vicina.

Dunque i corpi che accelerano, producono onde gravitazionali. Tanto più massicci sono i corpi e forti le accelerazioni quanto più ampie saranno queste onde.

Ecco cos'è stato scoperto a settembre dell'anno scorso...

Due buchi neri girano vorticosamente
l'uno intorno all'altro, increspando lo
spazio-tempo

Per farla breve: due grandi buchi neri, uno di 36 e l'altro di 29 masse solari, che spiraleggiavano strettamente l'uno intorno all'altro si sono infine schiantati fondendosi in un nuovo buco nero di 62 masse solari. Nel momento della fusione avevano accelerato fino alla metà della velocità della luce. Le 3 masse solari mancanti dalla somma (29+36=65) si sono trasformate in radiazione gravitazionale: ora che sappiamo che esiste la possiamo chiamare così! La quantità di energia generata è qualcosa di inimmaginabile: se fosse stata luce, sarebbe brillata come mille miliardi di miliardi di soli messi assieme. Il nuovo buco nero è grossomodo in direzione della Grande Nube di Magellano, a una distanza di circa 1,3 miliardi di anni luce.

Il margine di errore in queste misure è abbastanza grande ma questo è poco importante. La cosa importante è che la sequenza di onde che lo strumento ha misurato era 3 volte superiore al rumore di fondo e corrispondeva esattamente alle previsioni teoriche delle equazioni di Einstein per la fusione di due buchi neri di quelle dimensioni. Inoltre lo strumento non sta lavorando ancora al massimo delle sue possibilità e questo rende i ricercatori molto ottimisti per il futuro, quando sarà possibile avere un livello di rumore molto più basso.

Le antenne gravitazionali di LIGO (ce ne sono due: a Livingstone in Louisiana e a Hanford, Washington) sono degli interferometri.  Questi strumenti si usano da più di un secolo (il famoso esperimento di Micherlon-Morley del 1887 che fallì nel rilevare l'etere luminifero usava un interferometro) ma quelli di LIGO sono enormi e tecnologicamente avanzatissimi. Quello principale è un interferometro di Michelson (lo stesso di prima). Consiste di due "bracci" - dei tuboni sotto vuoto lunghi 4 km ciascuno - perpendicolari tra loro. Un potente laser emette un raggio che è diviso in due fasci da uno specchio semi-riflettente. Ciascun fascio è diretto in uno dei due bracci alla fine del quale c'è un altro specchio che lo rimanda indietro . I due raggi tornano dunque allo specchio semi-riflettente dove si ricombinano, "interferendo" tra di loro, per poi arrivare riuniti su una sorta di schermo.

Cosa significa che "interferiscono"? La luce si diffonde come un'onda, dove a una cresta segue una gola. Nella luce laser tutte le onde hanno la stessa distanza tra le creste (lunghezza d'onda), le creste hanno la stessa altezza (ampiezza) e sono in fase (creste e gole sono allineate). Il raggio originale è diviso in due fasci che quando si ricombinano, in condizioni "normali", sono collimati in modo che a una cresta del primo corrisponda esattamente la gola del secondo. In pratica, si annullano l'un l'altro (interferenza distruttiva). Sullo schermo, in condizioni normali, non arriva cioè alcuna luce.

Come dicevamo, l'onda gravitazionale stira e contrae le cose che incontra. Piccolissime variazioni di lunghezza di un braccio rispetto all'altro fanno sì che creste e gole si sfasino e che sullo schermo si vedano variazioni di luce (frange d'interferenza). La sensibilità degli interferometri di LIGO è tale da poter misurare variazioni di lunghezza di scala subatomica.

Il maggiore problema comunque non è tanto la precisione delle misure quanto l'esclusione di tutti i possibili disturbi esterni. La lunghezza dei bracci può infatti essere modificata dalle variazioni di temperatura e da quelle meteo, dal vento, dal rombo di un aereo, dal passaggio di un camion, da un terremoto anche distantissimo, da un tuono o da una qualunque vibrazione. Il lavoro per isolare l'esperimento dai disturbi di origine terrestre (e per riconoscere e filtrare opportunamente quelli che non possono essere eliminati) è stato davvero arduo.

Ebbene, quando il treno di onde gravitazionali generato dalla fusione dei due buchi neri ha attraversato gli interferometri di LIGO, la distanza tra il laser e lo specchio è variata di meno del diametro di un protone su 4km. Il fenomeno è durato 2 decimi di secondo.

Ecco quello che hanno registrato i due strumenti, prima quello di Hanford (in alto) e poi quello in Louisiana (in mezzo). I grafici mostrano la deformazione (dell'ordine di 10^-21 = 0,000­000­000­000­000­000­001 metri) rispetto al tempo (in secondi).

In entrambi casi al tracciato è stata sovrapposta la previsione teorica delle equazioni di Einstein. In basso si vede che i due tracciati sostanzialmente combaciano (a parte il brevissimo sfasamento temporale che è stato compensato).

In un colpo solo abbiamo finalmente una prova tangibile dell'esistenza dei buchi neri e l'ultima conferma ancora mancante della Teoria della Relatività. Sono queste le magie che mi piacciono!

Quest'anno l'interferometro Virgo, a Pisa, comincerà a lavorare in parallelo ai due del LIGO, al GEO600 in Germania, al KAGRA in via di completamento in Giappone e - auspicabilmente - al LIGO in fase di progettazione in India. Diverse antenne gravitazionali attive contemporaneamente permetteranno di essere molto più precisi sia nella descrizione dei fenomeni che nella localizzazione della sorgente.

Per finire, qualcosa di cui andar davvero fieri: i ricercatori italiani di Virgo (a Cascina, in provincia di Pisa) sono stati parte integrante di questa scoperta, elaborando e studiando i dati insieme ai colleghi americani, tant'è che è stato concesso loro l'onore di dare l'annuncio in una conferenza stampa in parallelo a quella di Washington..

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Vedi anche:

• Cardiff Gravitational Physics tutorial pages
• Black holes collisions (Cardiff University)
• La teoria di Einstein tiene a bada gli sfidanti
• I neutrini non sono più veloci della luce