l’annuncio Alle 16,30 a Pisa
Scoperte le onde gravitazionali: Einstein aveva
ragione
La conferma della teoria della relatività. Un nuovo modo di
studiare l’universo, i buchi neri e il tessuto dello spazio-tempo.
L’importante contributo italiano
di Paolo Virtuani
La
riproduzione computerizzata della fusione dei due buchi neri che hanno generato le onde gravitazionali
che sono state rilevate (Ligo)
shadow
Alle 1o,50 e 45 secondi (ora italiana) del 14 settembre 2015 i due strumenti dell’esperimento Ligo negli
Stati Uniti (nello Stato di Washington e in Louisiana) hanno registrato un dato anomalo. Sono iniziate
subito le conferme per avere la sicurezza. E alle 16,30 a Pisa (qualche minuto prima della conferenza
stampa gemella a Washington) l’annuncio ufficiale della scoperta delle onde gravitazionali. Per la fisica e
la scienza tutta l’11 febbraio 2016 sarà essere quindi una data che avrà un capitolo a parte in tutti i libri di
testo. Le onde gravitazionali, infatti, sono state previste esattamente un secolo fa, nel novembre 1915,
quando Albert Einstein illustrò la sua Teoria della relatività generale, di cui costituiscono uno dei
capisaldi. Finora però non erano mai state «trovate» e l’annuncio può ambire al titolo di «scoperta del
secolo». E i ricercatori che hanno partecipato agli esperimenti entrare tra i candidati a uno dei prossimi
Nobel per la fisica.
Onde gravitazionali: cosa sono e come sono state scoperte
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Einstein e le onde gravitazionali
L’osservazione
Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione
di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più
massiccio di circa 62 masse solari: le tre masse solari mancanti al totale della somma equivalgono
all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I
due buchi neri, prima di fondersi hanno percorso una traiettoria a spirale per poi scontrarsi a una velocità
di circa 150 mila chilometri al secondo, la metà della velocità della luce. L’osservazione conferma anche
l’esistenza di sistemi binari di buchi neri di massa stellare, in particolare aventi massa maggiore di 25
masse solari. Il processo di fusione dei due buchi neri responsabile delle onde gravitazionali rivelate è un
evento accaduto a 410 megaparsec da noi, e risale quindi a quasi un miliardo e mezzo di anni fa.
«Una pietra miliare»
«Questo risultato rappresenta una pietra miliare nella storia della fisica, ma ancor più è l’inizio di un
nuovo capitolo per l’astrofisica», ha commentato Fulvio Ricci, professore all’Università La Sapienza di
Roma ricercatore dell’Infn che coordina la collaborazione internazionale Virgo. «Osservare il cosmo
attraverso le onde gravitazionali cambia radicalmente le nostre possibilità di studiarlo: finora è come se lo
avessimo guardato attraverso radiografie, mentre adesso siamo in grado di fare l’ecografia del nostro
universo». «Finalmente possiamo osservare l’universo con occhi diversi», ha aggiunto Pia Astone,
ricercatrice dell’Infn curato la redazione dell’articolo scientifico sulla scoperta assieme ad altri cinque
colleghi di Virgo e Ligo pubblicato su Phisycs Reviews Letters . «Non è un caso, infatti, che la prima
misura diretta di ampiezza e fase delle onde gravitazionali sia stata accompagnata da un’altra importante
scoperta, quella della fusione di un sistema binario di buchi neri».
Cosa sono
Le onde gravitazionali sono come piccole increspature del tessuto dello spazio-tempo che permea tutto
l’universo. Secondo Einstein la gravità stessa è dovuta alla curvatura dello spazio-tempo causata dalla
massa. Le onde gravitazionali sono prodotte dal movimento di corpi dotati di massa nello spazio-tempo.
Più gli eventi sono colossali ed emettono straordinarie quantità di energia, come il Big Bang stesso, lo
scontro tra due buchi neri, la «danza» di avvicinamento di due stelle di neutroni che ruotano rapidamente
(pulsar), maggiore è la grandezza delle onde gravitazionali e quindi - in teoria - è più facile captarle. Solo
che finora con gli strumenti a nostra disposizione risultava praticamente impossibile riuscire a decifrarle
perché noi stessi e gli strumenti siamo immersi a nostra volta nello spazio-tempo e veniamo coinvolti
dalle sue oscillazioni.
Perché sono importanti
La scoperta dell’esistenza delle onde gravitazionali non è solo (l’ennesima) conferma sperimentale della
validità della teoria di Einstein, ma rivoluziona e amplia il mondo della fisica e della ricerca cosmologica.
Per esempio finora lo studio del cosmo è stato realizzato solo attraverso i segnali emessi da stelle e
galassie nello spettro elettromagnetico (luce visibile, raggi X e gamma, infrarossi, ultravioletti, onde radio
di varia lunghezza d’onda). L’esistenza delle onde gravitazionali apre un mondo nuovo: la possibilità di
studiare l’universo (e i misteriosi buchi neri) in modo completamente differente. Oltre che «vederlo»,
saremo in grado anche di «sentirlo» nella sua essenza più fondamentale, lo spazio-tempo, due elementi
che, secondo Einstein, sono una cosa sola. E capire come e perché l’universo non solo si espande, ma sta
addirittura accelerando la sua velocità di ampliamento. E c’è chi ipotizza scenari che sfiorano la
fantascienza: la verifica dell’esistenza di tunnel spazio-temporali (wormhole in inglese) nelle vicinanze
dei buchi neri che potrebbero mettere in relazione parti distanti dell’universo o addirittura universi diversi
dal nostro. Infine arrivare alla soluzione dei componenti di base dello spazio-tempo secondo la teoria
della meccanica quantistica, ancora divisa tra «stringhe», «brane» o «anelli» (loop). «Questo risultato
rappresenta un regalo speciale per il centesimo anniversario della relatività generale», ha concluso
Fernando Ferroni, presidente dell’Infn. «È il sigillo finale sulla meravigliosa teoria che ci ha lasciato il
genio di Einstein ed è anche una scoperta che premia il gruppo di scienziati che ha perseguito questa
ricerca per decenni alla quale l’Italia ha dato un grande contributo».
L’annuncio
Gli osservatori Ligo hanno registrato l’arrivo delle onde gravitazionali lo scorso 14 settembre con un
interferenza durata solo 10 millesimi di secondo. La scoperta parla infatti anche italiano. Ricercatori
dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) hanno preso parte all’esperimento e l’Infn organizza la
conferenza stampa a Pisa presso i laboratori dello European Gravitational Observatory (Ego) dove ha
sede anche Virgo, l’esperimento italiano che ha collaborato col suo omologo americano (Ligo). A
Washington presso il National Press Club l’annuncio è organizzato dalla National Science Foundation,
dal Massachusetts Institute of Technology (Mit) e dal Laser Interferometer Gravitational Wave
Observatory (Ligo). Inoltre la rivista Phisycs Reviews Letters ha pubblicato uno studio scientifico sul
tema.
Come si è arrivati a «captare» le onde gravitazionali
Se, come si è detto, si è immersi nello spazio-tempo, come si è stati in grado di captare le onde
gravitazionali? I due esperimenti (Ligo e Virgo) sono in pratica due enormi tubi lunghi rispettivamente 4
e 3 chilometri disposti a L, cioè perpendicolari l’uno all’altro. In ognuno di questi tubi c’è un raggio laser
che viene riflesso una cinquantina di volta da particolari specchi così da allungarne il percorso. Se passa
un’onda gravitazionale, essa dilata lo spazio in una direzione (uno dei tubi) e lo accorcia nella direzione
ortogonale alla prima (per una lunghezza di miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di metro).
Allungando lo spazio, la luce laser quindi impiega più tempo per attraversare uno dei due bracci di Virgo
o di Ligo, mentre ne impiega di meno nel braccio ortogonale dove lo spazio si è ristretto. Analizzando
con precisione estrema i tempi di anticipo e di ritardo (ed eliminando qualsiasi tipo di disturbo), si riesce a
captare l’onda gravitazionale. Semplice a dirsi, chi riesce nell’impresa si porta a casa il Nobel.
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