Con - Scientia. Onde gravitazionali, ovvero fare surf sullo spazio tempo

Ieri l’annuncio della prima rilevazione diretta di un’onda gravitazionale, prodotto dello scontro tra due masse enormi. Previste dalla Relatività, forniscono un nuovo canale di osservazione dell’universo

Il 14 settembre scorso tutti quanti noi abbiamo vibrato sulla scia di un’onda partita quasi un miliardo e mezzo di anni fa, ossia quando ancora sulla Terra erano da poco apparse le prime cellule viventi capaci di utilizzare l’ossigeno.

E insieme a noi hanno vibrato la Terra, la Luna, il Sole e gli altri oggetti presenti nel Sistema Solare. Chissà quante volte avremo vibrato allo stesso modo in passato senza che nessuno lo avesse notato, ma la data del 14 settembre 2015 rimarrà nella storia della scienza perché per la prima volta uno strumento costruito dall’uomo è riuscito a captare questa vibrazione, prevista dalla Teoria della Relatività esattamente cento anni fa, ma mai osservata direttamente.

L’onda di cui parliamo non è quella classica del mare (che viaggia in una sola dimensione), né quella elettromagnetica (utilizzata da noi per gli scopi più disparati e che si espande in tre dimensioni): quest’onda mette in oscillazione tutte le dimensioni dello spaziotempo, compreso, appunto, il tempo e va sotto il nome di onda gravitazionale (vuol dire che ci siamo in quegli istanti non solo ci siamo allargati e compressi, ma che anche il tempo ha viaggiato a velocità variabili).

L’ampiezza della sua oscillazione è tanto piccola che nemmeno Einstein, che ne aveva previsto l’esistenza, aveva mai sperato che uno strumento sarebbe stato in grado a misurarla. Difatti, nonostante l’evento che l’ha generata sia stato di dimensioni colossali (due buchi neri di masse circa uguali a trenta volte quella del Sole), lo spaziotempo nei nostri dintorni si è espanso e poi contratto per meno di una frazione di nucleo atomico.

Lo strumento che ci ha permesso di raggiungere questo traguardo va sotto il nome di interferometro, ma non facciamoci spaventare dal nome, perché il principio secondo il quale lavora non è complicato quanto sembra. Un interferometro laser non fa altro che dividere un fascio laser in due, costringendo questi a percorrere due percorsi di uguale lunghezza fino al loro ricongiungimento. La lunghezza dei singoli percorsi può variare proprio a causa della presenza di increspature nello spaziotempo e quando capita che un braccio sia più lungo dell’altro i due fasci laser interferiscono tra loro fino a far scomparire il raggio in uscita. Trattandosi di una oscillazione, ci saranno momenti in cui il fascio in uscita sarà totalmente assente, altri nei quali avrà intensità massima (interferenza costruttiva) ed altri durante i quali sarà meno intenso del normale, ma non nullo: abbiamo così creato una figura di interferenza.

I due interferometri a cui va il merito di aver registrato il segnale di quest’onda gravitazionale sono entrambi sul suolo statunitense e fanno parte dell’esperimento LIGO (recentemente aggiornato a Advanced LIGO per migliorarne la sensibilità) ed i loro bracci, nei quali il laser è costretto, sono lunghi ben quattro chilometri. Solo con bracci tanto lunghi è stato possibile raggiungere una sensibilità equivalente a misurare con l’accuratezza della larghezza di un capello la distanza tra noi ed Alpha Centauri (la stella più vicina al Sole).

Questi due strumenti sono il punto di arrivo di una ricerca tecnologica iniziata negli anni ‘70 del secolo scorso e messa in pratica per la prima volta un decennio dopo, con l’Europa (e l’Italia) capofila con lo strumento VIRGO. Anche nel risultato presentato ieri c’è una buona fetta di Italia, a partire dalla collaborazione formale a livello mondiale che comprende tanti fisici italiani, fino alla persona che prima di tutti ha notato il “segnale sospetto”, Marco Drago, padovano, ricercatore post-doc (ovvero già in possesso del titolo di dottore di ricerca) al Max Planck Institute di Hannover.

La stranezza del segnale era duplice, sia perché totalmente in accordo con quello previsto dalla teoria, sia perché acquisito proprio durante i primi giorni di funzionamento del nuovo Advanced LIGO: per questo motivo all’inizio si è pensato ad un segnale “indotto”, ovvero, generato ad arte (senza dirlo) da componenti della collaborazione per testare le capacità del nuovo strumento.

Ed invece così non è stato e dopo mesi di accurate analisi per rimuovere ogni sorta di dubbio, è stato finalmente pubblicato l’articolo scientifico che descrive il lavoro svolto.

Se Advanced LIGO è il punto di arrivo per decenni di sviluppo tecnologico-scientifico, lo stesso non si deve però pensare per l’identificazione della prima onda gravitazionale, perché, ora che sappiamo che è davvero possibile individuarle, inizia un nuovo capitolo dell’astrofisica: non più solo onde elettromagnetiche per studiare l’universo, come è stato da quando l’uomo ha alzato gli occhi al cielo osservando la luce delle stelle, ma anche onde gravitazionali, capaci di raccontarci la storia di scontri titanici, in grado di liberare in un solo colpo l’energia equivalente alla massa di più soli messi insieme.

E una volta che i nuovi strumenti in costruzione (VIRGO in Italia, GEO600 in Germania, ancora LIGO in India e KAGRA in Giappone) saranno pronti, potremo individuare con precisione la porzione di cielo dalla quale il segnale proviene.

Insomma, come sempre nella scienza, un punto di arrivo è sempre un punto di partenza.

 

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