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Onda gravitazionale, catturata per la prima volta anche dall’Italia

La notizia che stiamo per darvi è sicuramente di rilevante importanza per la fisica dell’universo. Nello specifico nel corso della giornata di ieri è stata diffusa la notizia secondo la quale i due rilevatori Ligo che si trovano negli Stati Uniti e il rilevatore Virgo di Cascina, in provincia di Pisa pare abbiano misurato un segnale di onde gravitazionali proveniente dallo scontro, che in termini tecnici si chiama coalescenza, tra due buchi neri, ovvero delle stelle così compatte che nemmeno la luce in pratica può sfuggire alla loro gravità. L’osservazione dell’evento è stata registrata da tutti e tre rilevatori lo scorso 14 agosto 2017, con una precisione mai ottenuta fino ad ora ed è stata effettuata da Advanced Virgo, che risulta essere il fiore all’occhiello dell’Istituto nazionale di fisica nucleare italiano. Dunque, le antenne per onde gravitazionali e sistematico in USA e, in Italia pare abbiano misurato contemporaneamente il passaggio di un’onda gravitazionale che come abbiamo detto è stata causata da due buchi neri che si sono Fusi in uno solo.

Il tutto sarebbe avvenuto lo scorso 14 agosto ovvero per Ferragosto, quando la maggior parte di noi era in vacanza a godersi i giorni di riposo. La registrazione dei tre impianti è avvenuto intorno alle ore 11:30.43 di tempo italiano, la fusione di due buchi neri distanti 1.8 miliari di anni luce da noi, con una massa rispettivamente 31 e 25 volte quella del nostro sole. Durante il fenomeno, va detto che una massa pari a 3 volte quella del sole, sarebbe stata bruciata e convertita nell’emissione di onde gravitazionali, previste dalla teoria sulla Relatività di Einstein.Di certo, non si tratta della prima registrazione delle onde gravitazionali prodotte dalla fusione di un sistema binario di buchi neri ma è la quarta; sicuramente però è la prima volta che i due esperimenti hanno funzionato contemporaneamente.

Abbiamo detto che si è trattato di una scoperta molto interessante, innanzitutto per la precisione con cui è stata realizzata l’osservazione e poi perchè si è scoperto che anche le onde gravitazionali sono polarizzate. “È stato meraviglioso vedere un primo segnale di onde gravitazionali nel nostro nuovo rivelatore, dopo solo due settimane dall’inizio della presa dati”, ha commentato Jo van den Brand, coordinatore della collaborazione di Virgo.Questa è una grande ricompensa dopo tutto il lavoro svolto negli ultimi sei anni per la realizzazione del progetto Advanced Virgo, che ha consentito di potenziare il nostro rivelatore“, ha aggiunto l’esperto.

Per chi non lo sapesse, le onde gravitazionali sono delle increspature nel tessuto dello spazio-tempo che possiamo immaginare come un gigantesco tappeto di gomma deformato dall’interazione di qualunque oggetto dotato di massa. Queste vengono prodotte ad esempio dal Sole, ma anche da noi stessi quando ci muoviamo, ma affinché queste vengano rintracciate è necessaria l’interazione di oggetti di massa considerevole, come ad esempio i buchi neri.

Cosa sono le Onde Gravitazionali e come si rilevano

La Teoria delle Relatività Generale

La teoria della relatività nasce nei primi del 900, un periodo di profondi cambiamenti scientifici. Fino ad allora si pensava che i fenomeni elettromagnetici quali la luce, viaggiassero attraverso lo spazio sfruttando l’etere, ovvero qualcosa di sconosciuto che permea il tutto. La Terra sarebbe quindi in movimento rispetto all’etere e quindi la luce che punta verso la direzione in cui la terra sta viaggiando ruotando attorno al sole, sarebbe rallentata, poiché l’etere è fermo mentre la Terra si muove ad alta velocità.
Nel 1887 Albert Michelson e Edward Morley, in un celebre esperimento con un interferometro, dimostrarono che la velocità della luce non cambia da qualunque sistema di riferimento la si osservi. L’ipotesi dell’esistenza dell’etere viene quindi a cadere.

Tuttavia, se la velocità della luce resta costante, allora, poiché la velocità “c” è lo spazio percorso “s” diviso il tempo impiegato a precorrerlo “t”, significa che a cambiare sono “s” e “t”. Questi devono cambiare in modo che a man mano che un oggetto accelera, si contrae il suo spazio percorso (come se diminuisse di dimensione) ed il suo tempo rallenta.
In sostanza tempo e spazio non sono più concetti universali: essi dipendono dallo stato di moto del loro osservatore.

Oltre a questo nuovo concetto di relatività che coinvolge spazio e tempo, presente nella cosiddetta Relatività Ristretta formulata nel 1905, Einstein osservò che, secondo la teoria della gravità di Newton, se si fà apparire improvvisamente una massa in un sistema gravitazionale, tutti gli altri corpi risentono di essa reagendo istantaneamente alla forza che essa esercitata. Ciò dovrebbe avvenire indipendentemente dalla distanza a cui si trovano i corpi dalla nuova massa. Questo significa che il “segnale” del cambiamento avvenuto, si trasmette a velocità infinita, ovvero superiore a quella della luce. Ciò è in contraddizione con la teoria della Relatività Ristretta che indica chiaramente la velocità della luce è massima possibile. Questa contraddizione indusse Einstein ad affrontare il problema della relatività dei concetti di spazio e tempo, includendo nelle sue considerazioni anche la forza gravitazionale.

Il punto di partenza del suo ragionamento è il principio di equivalenza di Galileo: <<Ogni corpo, indipendentemente dalla sua natura, cade con la stessa accelerazione in un campo gravitazionale». Questa proprietà universale dei corpi, spinge a dedurre che esista una sorta di equivalenza tra il concetto di accelerazione e quello di gravità. Per convincersi di questo la cosa più semplice è condurre un esperimento in un ascensore ideale. Sottolineiamo che si tratta di esperimento ideale, visto che la sua realizzazione pratica, come vedremo, implicherebbe mettere a repentaglio l’ incolumità di quel signore (l’osservatore) che si deve trovare dentro l’ascensore. L’Osservatore in ascensore ha in mano una pallina da far cadere.

Se l‘ascensore è sulla Terra ed è fermo, lasciando la pallina che ha in mano, l’osservatore la vedrà cadere verso il pavimento. Portiamo ora l’ascensore in alto e poi tagliamo la corda che lo sostiene:
l’osservatore nell’ascensore, lasciando la pallina, non la vedrà cadere verso il pavimento: la gravità per lui non esiste più. Un modo per riveder cadere la pallina esiste: basta portare l’ascensore lontano dalla Terra (quindi siamo in assenza del campo gravitazionale della Terra) e accelerarlo verso l’alto. L’uomo nell’ascensore percepirà una forza che tende a spingerlo verso il pavimento dell’ascensore e, liberando la pallina, la vedrà cadere di nuovo verso il basso.

L’ascensore dell’esperimento ideale di Einstein Gravità e accelerazione sembrano quindi identificarsi. Tuttavia la gravità terrestre punta sempre verso il centro della Terra: è una forza centrale, quindi il problema che abbiamo difronte è capire come mai le forze applicate ai corpi partano dal centro della Terra puntando in direzioni sempre diverse in base a dove si trova l’osservatore con la sua pallina.

Per risolvere questo dilemma, Einstein usa il concetto che lo spazio ed il tempo che l’osservatore sperimenta osservando il moto della pallina, non sono assoluti.
L’idea è che la massa della Terra distorca lo spazio tempo, e quindi generi una accelerazione verso il centro di se stessa.
Cosa significa distorcere lo spazio tempo? Immaginate di tendere un telone elastico dai suoi quattro angoli e posizionare una palla in centro: la palla incurva il telo verso il basso e qualsiasi oggetto su di esso cadrebbe scivolando verso la palla.

La massa della Terra distorce lo spazio-tempo e tende a far cadere verso il centro la pallina La nuova teoria dello “spazio curvo” venne chiamata relatività generale, per distinguerla dalla precedente relatività ristretta che non prendeva in considerazione la gravità. La prova che la relatività generale era corretta fu dimostrata nel 1919 dall’astronomo inglese Arthur Eddington, che osservò con un telescopio la luce di una stella che giungeva a noi passando nei pressi del Sole. L’osservazione fu fatta durante un eclisse totale di Sole, e i suoi telescopi rilevarono che la traiettoria della luce che descrive la proprietà dello spazio vicino al Sole, effettivamente era distorta perché la massa dello stesso Sole è la causa della deformazione spazio-temporale.

La grandezza che permette di calcolare la distanza tra punti in uno spaziotempo curvo e quindi esprime in termini matematici le proprietà geometriche dello spazio-tempo, è il tensore metrico gmn : è una matrice i cui termini, in un sistema di riferimento qualsiasi, possono assumere valori diversi da punto a punto. Su questa quantità si fonda l’equazione della Relatività Generale di Einstein, che un anonimo autore ha scritto su una locomotiva abbandonata in un deserto del Sud-America.

Le onde Gravitazionali

Durante la nostra attività quotidiana, osserviamo vari fenomeni ondulatori: le onde sonore, onde d’acqua, la luce, le onde radio tramite le quali sentiamo la musica trasmessa alla radio. Che tipo di onde sono allora quelle gravitazionali?

Esse sono in realtà increspature deboli nello spazio-tempo, il mondo a quattro dimensioni che Einstein ha creato nelle sue teorie della Relatività Ristretta e Generale. Come un’onda gravitazionale passa, oggetti cambierebbero la loro lunghezza, ma solo di una quantità piccolissima. Ad esempio quella generata da corpi stellari enormi distanti da noi miliardi di anni luce, possono cambiare la distanza tra oggetti di una parte nel 10- , che è circa il rapporto tra il diametro di un atomo diviso per pa distanza dal Sole alla Terra. Questo effetto è estremamente piccolo e queste rende molto difficile la loro rilevazione.

Le onde gravitazionali interagiscono in modo estremamente debole con la materia, quindi si possono propagare attraverso lo spazio interstellare senza che le informazioni che esse trasportano, siano modificate.

La loro rilevazione apre una nuova finestra sull’universo: si tratta di scoprire un vero tesoro di informazioni molto diverso da quello che già possediamo tramite le osservazioni fatte con i telescopi ottici, radio, infrarossi, UV, X o Gamma, tutti basati sulla radiazione elettromagnetica .

Le onde elettromagnetiche, rilevate dalle radio o dalle televisioni di casa nostra, sono emesse dalle antenne delle stazioni emittenti e si propagano sino a noi. Queste onde sono generate dagli elettroni, che all’interno dell’antenna, devono correre avanti e indietro e così producono segnali elettromagnetici. In modo analogo, per produrre in modo efficiente un’onda gravitazionale occorre che un corpo molto massiccio, ad esempio una stella, si sposti avanti e indietro abbastanza velocemente. Molte delle stelle osservate sono membri di sistemi doppi, ovvero stelle binarie che ruotano una intorno all’altra grazie alla reciproca attrazione gravitazionale. Se le stelle coinvolte in questa danza cosmica sono enormi e vicine tra loro, le forze in gioco che le trascinano facendole oscillare a vicenda, sono enormi. Einstein, nel 1915, aveva previsto che tale sistema fosse una sorgente di onde gravitazionali, che si propagano alla velocità della luce, ma sosteneva che tale radiazione sarebbe stata troppo debole per essere rilevata.

Nel sistema binario di stelle, il fatto di emettere radiazione gravitazionale fa si che il sistema perda l’energia meccanica, e determina quindi il loro progressivo avvicinamento. Man mano che le due stelle si avvicinano la loro velocità di rotazione reciproca aumenta. Quindi, misurando il periodo di rotazione un sistema binario molto precisamente, si può verificare indirettamente che esiste questa emissione, una potente prova indiretta dell’esistenza della radiazione gravitazionale.
I radio-astronomi Russell Hulse e Joseph Taylor, stavano studiando stelle pulsar che ruotano rapidamente emettendo impulsi elettromagnetici a radiofrequenza di straordinaria regolarità. Queste stelle si comportano come orologi cosmici e si possono osservare per anni con regolarità.

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