mercoledì 17 febbraio 2016

Osservare onde gravitazionali: fatto!

Avete sentito la notizia? Che domande, certo che l'avete sentita! E' passata persino sui tg nazionali e prima ancora i vari social erano stati invasi da condivisioni a link di articoli, video e immagini sulla scoperta. Se invece non sapete di cosa sto parlando probabilmente significa che è giunto il momento di alzare un po' il livello dei vostri contatti su facebook & co... Nel frattempo, sia che apparteniate al primo gruppo o al secondo, cerco di spiegare un po' cos'è successo.

L'11 febbraio è stata annunciata l'osservazione, per la prima volta in modo diretto, di onde gravitazionali! Ma di cosa si tratta? Come hanno fatto? E perchè è importante?

Andiamo con ordine e iniziamo a parlare di gravità.
Come forse saprete la gravità è quella forza che fa cadere a terra tutti gli oggetti, che tiene la luna in orbita intorno alla Terra, la Terra intorno al Sole, il Sole intorno alla Via Lattea e così via... Il primo ad aver elaborato una spiegazione scientifica a questo fenomeno è stato Isaac Newton e tempo fa ho spiegato la sua intuizione qui.
Un paio di secoli dopo il grande Albert Einstein completava, rivoluzionandolo, il modello di Newton con la sua celebre Teoria della Relatività Generale. Per farla breve Einstein ha teorizzato che la gravità non sia in realtà una forza come noi la intendiamo ma semplicemente l'effetto di una deformazione dello spazio-tempo. Per capire questa frase bisogna immaginare che lo spazio tridimensionale in cui viviamo si comporti come un enorme tappeto elastico (ok, un tappeto di dimensioni ne ha solo due ma se vi fidate del fatto che l'analogia funziona sarà tutto più facile). Se mettiamo una palla da bowling su un tappeto elastico questo si deforma e farà in modo che altri oggetti appoggiati su di esso si muovano verso la palla da bowling. Non c'è una strana forza che li attira verso la palla, si muovono così perchè il tappeto si è deformato. Allo stesso modo qualunque oggetto dotato di massa deforma lo spazio in cui si trova ed ecco che i corpi più leggeri si sentono attratti da uno più pesante. Naturalmente più grande è la massa più grande è l'effetto. Il Sole allora deformerà lo spazio-tempo più della Terra mentre un buco nero (per fare un esempio) lo deformerà più del Sole.


Esempi di deformazione dello spazio-tempo per effetto della gravità. Fonte: astronomia.com

Immaginate ora cosa può accadere se una di queste masse si muove e in particolare se si muove accelerando. Se Einstein aveva ragione la deformazione prodotta si propagherà producendo delle increspature del tutto analoghe alle ondine in uno stagno. Queste increspature si chiamano onde gravitazionali.

Se ci pensate un attimo vi accorgerete che questo fenomeno è molto simile a ciò che accade quando viene emessa un'onda elettromagnetica: stavolta è una particella carica (ad esempio un elettrone in un'antenna) che si muove emettendo onde a varia frequenza che non sono altro che perturbazioni del campo elettromagnetico. La grande differenza è che sulle onde elettromagnetiche sappiamo praticamente tutto perchè le studiamo almeno da quando Marconi ha inventato la radio, le loro cugine gravitazionali invece sono sempre state un mistero perchè nessuno le aveva mai osservate. Nessuno fino allo scorso settembre.


Uno dei due osservatori LIGO. Fonte: nature.com

IL 14 settembre 2015 infatti i due rivelatori statunitensi chiamati LIGO (Laser Interferometer Gravitational-waves Observatory) hanno registrato un segnale che nei mesi successivi è stato confermato come il passaggio di un'onda gravitazionale prodotta niente meno che da due buchi neri che ruotavano vorticosamente uno intorno all'altro fino a fondersi in un unico oggetto più grande.
Ma come ha fatto questa coppia di osservatori a riuscire dove gli altri hanno fallito?
Cominciamo col chiarire un punto: rivelare un'onda gravitazionale è molto più difficile che rivelare un' onda elettromagnetica principalmente per due motivi:
  1. queste onde sono piccole e serve quindi uno strumento con una sensibilità spaventosa
  2. queste onde non si muovono nello spazio come le altre ma lo perturbano; questo significa che anche gli strumenti che usiamo si deformano per effetto dell'onda! Un ipotetico righello non potrebbe misurarle perchè si deformerebbe al loro passaggio....
Se per il primo punto basta migliorare la tecnologia, per il secondo bisogna inventarne una apposita. Ci vorrebbe qualcosa in grado di misurare una lunghezza e che sia indipendente dallo spazio in cui si trova. Possibile che esista qualcosa del genere? Bè si, è la luce! La luce nel vuoto viaggia sempre alla stessa velocità in qualunque situazione e infatti è alla base del funzionamento di LIGO! Il rivelatore è costituito da due tubi di 4 km messi ad angolo retto in cui un raggio laser rimbalza avanti e indietro. Se a un certo punto si osserva che il tempo impiegato a percorrere i tubi cambia significa che lo spazio tra le due estremità è stato deformato e significa quindi che è passata un'onda gravitazionale! Geniale vero?
Ovviamente c'è tutta una serie di precauzioni per evitare i falsi allarmi ma non voglio dilungarmi troppo, se vi interessa chiedete pure.

Tutto questo è spiegato molto bene in questo breve video, vi consiglio di guardarlo!

Fonte: PHD Comics

Ma non è finita qui. Visto che LIGO é composto da due interferometri che distano circa 3000 km é stato possibile risalire, oltre che alla massa e alla distanza dei buchi neri interagenti, anche a una possibile posizione in cielo. Si è così scoperto che i due buchi neri, distanti 1,3 miliardi di anni luce, avevano una massa rispettivamente di 29 e 36 masse solari. Dopo la fusione hanno generato un unico buco nero da 62 masse solari. Le 3 masse solari che mancano sono state trasformate in energia emessa proprio sotto forma di onde gravitazionali. Subito dopo l'osservazione gli astrofisici del LIGO hanno comunicato i loro dati ad altri enti che hanno iniziato a scrutare quella finestra di cielo con altri metodi (telescopi ottici, a infrarossi, a raggi x ecc...) cercando i segni di un qualche evento compatibile con le onde gravitazionali ricevute. L'obiettivo era quello di trovare dei segnali tradizionali provenienti da quell'evento ma per ora non si è trovato nulla... Ciò che si è visto con gli occhi della gravità è rimasto invisibile a tutto il resto! 

Dopo circa 5 mesi di controlli la notizia è stata data al mondo! Se vi interessa qui trovate l'articolo scientifico della scoperta.

Eisntein quindi aveva ragione? Credo che nessuno ne dubitasse ma in scienza la ricerca di prove definitive non è facoltativa.
Quel che è certo è che adesso si apre un capitolo nuovo: visto che queste onde ci sono e sono osservabili si cercherà di misurarle sempre meglio così da aprire un nuovo canale di osservazione del cosmo. In particolare questo sembra essere l'unico canale per osservare direttamente i buchi neri che, in quanto neri sono invisibili e interagiscono con tutto il resto solo attraverso la gravità. Un'altra conferma importante è il fatto che anche la gravità, come le altre forze, non si propaga istantaneamente ma è vincolata a una certa velocità. Si pensa che anche in questo caso la velocità sia quella della luce ma sarà da verificare.


Di interferometri come LIGO ne esistono altri e uno lo abbiamo noi qui in Italia: si chiama VIRGO e al momento è spento perchè in fase di upgrade (proprio come le difese di clash of clans che non sparano mentre sono in miglioramento) ma ha dato comunque il suo contributo alla scoperta condividendo con LIGO il software per l'analisi dati.
Uno dei prossimi passi sarà quello di utilizzare satelliti per queste osservazioni seguendo la rotta già iniziata dalla missione europea LISA Pathfinder