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Le onde gravitazionali – 1

La scoperta delle onde gravitazionali

Una scoperta straordinaria

Questo è il primo di una serie di tre articoli che vogliono spiegare, in termini semplici, come è avvenuta la scoperta delle onde gravitazionali. Gli articoli successivi li potete trovare qui: …

Il 12 febbraio 2016, su Physical Review Letters veniva pubblicato un articolo, opera della collaborazione LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), che avrebbe suscitato enorme eco nel mondo scientifico e non solo. L’abstract (l’introduzione) dell’articolo esordiva così:

Il 14 settembre 2015, alle 09.50.45 UTC, i due apparati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory hanno rilevato contemporaneamente un segnale di onda gravitazionale.

L’articolo concludeva, dopo otto intense pagine di calcoli e spiegazioni, in questo modo:

Gli apparati di LIGO hanno osservato onde gravitazionali causate dalla fusione di due buchi neri di massa paragonabile a una stella. … Si tratta della prima rilevazione diretta di onde gravitazionali e la prima osservazione della fusione di due buchi neri.

Dopo quasi cento anni dalla teorizzazione, dovuta a Einstein, della Teoria della relatività generale che prevedeva l’esistenza delle onde gravitazionali, la prima vera identificazione, il primo vero rilevamento. La scoperta ha sancito la nascita di un nuovo modo di fare astronomia, che si affianca all’osservazione visiva dei corpi celesti e a all’esplorazione dell’universo attraverso onde elettromagnetiche, infrarossi, raggi gamma e radio che tanti successi ha mietuto in questi anni.

La teoria della relatività generale

Lo studio della gravità, la prima formalizzazione di una teoria, avvenne nel luglio del 1687 quando Isaac Newton pubblicò una delle più importanti opere scientifiche della storia, i Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (I principi matematici della filosofia naturale). Conteneva un risultato fondamentale e rivoluzionario: le leggi fisiche che governavano il moto dei pianeti e delle stelle erano le stesse che amministravano e spiegavano anche la caduta dei gravi sulla Terra, il nostro piccolo mondo e le galassie erano guidate dallo stesso principio.

Questo principio era la Legge di gravitazione universale, la quale misura la forza con cui la Luna è attratta dalla Terra e questa dal Sole, spiega perché le stelle si sono ammassate nelle galassie e chiarisce perchè gli oggetti, sulla Terra e su tutti i corpi celesti, sono attratti verso il centro del pianeta.

La legge di gravitazione universale, afferma che due corpi, dotati di massa, si attraggono con una forza che è diretta come la congiungente i baricentri dei due corpi, proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

Eppure questa immensa impresa dell’ingegno umano aveva un difetto, una imprecisione! La forza appare propagarsi istantaneamente: la presenza di una massa si diffonde in un lasso di non tempo in ogni direzione. Infatti, a un’osservazione più attenta, appare evidente che nell’equazione non compare il tempo, segno che la forza di gravità è sempre lì, da subito!

Questa anomalia, quasi due secoli e mezzo dopo, fu affrontata e superata da Albert Einstein, ma valicare l’ostacolo richiese di ripensare completamente la gravità: non più una forza ma una deformazione dello spazio (dello spazio e del tempo in verità), un’alterazione della geometria dell’universo che modifica quindi il moto dei corpi. Non più un’interazione a distanza tra due masse.

Einstein tra il 1915 e il 1916 propose un’equazione, l’equazione di campo, che spiega tutt’ora come la massa e l’energia presenti nell’Universo piegano e deformano la geometria dello spazio-tempo influenzando così le masse vicine.

Il tensore curvatura delinea la geometria, la forma, dello spazio-tempo, forma che è determinata dalla distribuzione della massa e dell’energia, descritta a sua volta dal tensore stress-energia. Nella prima versione di questa equazione non erano presenti altri termini: la massa e l’energia modellano lo spazio-tempo. Quella mostrata qui è la formulazione attuale, in cui la densità dell’energia del vuoto partecipa a alla modellazione dell’Universo (il tensore metrico spazio-temporale è lo strumento usato, in questa geometria, per misurare le distanze).

Lo spazio è così dominato dalla massa (e dall’energia) che lo allungano, lo tirano, lo modificano dandogli una forma sempre differente.

Lo spazio in assenza di massa ed energia è piatto, uniforme, lineare (vedi figura a sinistra). Un oggetto in moto in questo spazio proseguirebbe con il suo moto senza cambiare direzione o velocità. La presenza di una massa, una stella come il nostro Sole, per esempio, stira, deforma, modifica lo spazio (vedi figura al centro). Un altro corpo dotato di massa che si avvicini al Sole non è
tanto influenzato dalla forza di gravità della stella ma guidato dalla forma che la stessa stella ha dato allo spazio circostante. La deformazione coinvolge tutte le tre dimensioni spaziali (vedi figura a destra) e in verità anche quella temporale, infatti nei pressi di una massa sufficientemente grande anche il tempo è dilatato, esteso, in fin dei conti rallentato.

Questa deformazione si propaga nello spazio, con ogni probabilità alla velocità della luce, come un onda che increspa con leggerezza, quasi teneramente, lo spazio. Come potrebbe fare un sassolino con la superficie di uno stagno. Portando nel vuoto cosmico un segnale, comunicando all’Universo la presenza di un corpo celeste, la sua esistenza ma anche il suo aspetto, le sue caratteristiche. È proprio questo messaggio, questo segnale, che hanno rilevato gli interferometri di LIGO il 14 settembre del 2015.

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