Scoperte le onde gravitazionali: Einstein aveva ragione
Alle 10,50 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. Da quel momento sono iniziate le verifiche. E giovedì, alle 16,30 a
Pisa (qualche minuto prima della conferenza stampa gemella a Washington) è finalmente stato dato l’annuncio ufficiale della
scoperta delle onde gravitazionali. Per la fisica e la scienza tutta l’11 febbraio 2016 sarà una data che avrà un capitolo a parte
in tutti i libri di testo. Le onde gravitazionali, infatti, erano 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. A questa impresa collettiva hanno collaborato 1.004 ricercatori appartenenti a 133
istituzioni scientifiche di tutto il mondo.
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.
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».
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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.
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
Anche a Reggio Calabria la conferma della scoperta delle onde gravitazionali”. A dirlo è l’esperta Lucia Votano, originaria di
Villa San Giovanni, che ha presieduto, come madrina d’eccezione, all’inaugurazione del rinnovato laboratorio di fisica del Liceo
Scientifico “Leonardo Da Vinci”.
La fisica Lucia Votano è prima direttrice donna dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica
Nucleare, il più grande laboratorio sotterraneo del mondo, sede di esperimenti di rilevanza internazionale come il CNGS, il
flusso di neutrini, di cui si è sempre occupata la stessa Votano.
“Tranne i ripensamenti dell’ultimo momento – comunica ai microfoni di Strettoweb – domani, alle 16.30 in contemporanea a
Washington, in Italia e al Cern di Ginevra sarà trasmesso in streaming il seminario in cui verrà data la notizia della scoperta
delle onde gravitazionali. Il fatto che giunga proprio a 100 anni da quando Einstein ha pubblicato la sua teoria della relatività
generale assume un significato molto particolare, perché le onde gravitazionali sono la dimostrazione, forse la più diretta, della
teoria di Einstein, le cui prove di validità ci sono già, ma questa è la prova del nove”.
Una scoperta di immensa portata nello studio dell’Universo, per tutta la comunità scientifica, ma non solo: “Gli uomini – continua
a dirci Lucia Votano – hanno cominciato a studiare l’Universo sfruttando solo la luce, poi sono state sfruttate onde
elettromagnetiche di varia frequenza, poi un nuovo strumento per osservare l’Universo sono stati i neutrini, di cui tra l’altro io mi
occupo. Le onde gravitazionali sono un nuovo strumento per studiare l’Universo in un modo diverso rispetto ai precedenti”.
Agli studenti, Lucia Votano, vuole lanciare un messaggio, uno dei motivi principali della sua presenza a Reggio: “desidero far
capire quanto sia importante la cultura, e anche, però, la cultura scientifica. Ai ragazzi direi che è importante il loro
impegno perché l’Italia si trova in un momento di grande declino, sia culturale che economico. Siccome io sono convinta, come
dicono anche gli economisti, che l’unico modo per rilanciare il Paese sia ripartire dalla cultura, una cultura in senso ampio,
penso che ai giovani sia affidato il nostro futuro, che sarà tanto migliore quanto il loro impegno sarà grande, ma soprattutto sarà
messo in condizione che possa essere sfruttato sul territorio”.
