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Merito anche italiano per la scoperta delle onde Onde gravitazionali

Il 25 novembre 1915, Albert Einstein svelava la scoperta dell’equazione di campo alla base della teoria della relatività generale, che rivoluzionerà la fisica moderna. L’allora 37enne direttore dell’Istituto di fisica all’Università di Berlino presentava all’Accademia prussiana delle scienze una bizzarra equazione di campo che legava tra loro, in modo del tutto inusitato, geometria dello spazio-tempo, velocità della luce e forza gravitazionale. Secondo tale equazione, che rappresenta il nocciolo teorico della relatività generale, la forza gravitazionale infatti altro non è che la manifestazione della curvatura di una nuova entità, lo spazio-tempo (una specie di tessuto a quattro dimensioni, tre spaziali e una temporale, in cui vive il nostro Universo).

Che cosa sono  i buchi neri e come nascono L’esistenza dei buchi neri fu ipotizzata per la prima volta nel’700 dal reverendo John Michell.A dar vita a questi mostri cosmici sono le stelle di grande massa che, una volta esaurito il “combustibile” che alimenta le reazioni nucleari, non riescono più a controbilanciare l’enorme forza gravitazionale dovuta alla loro stessa massa. Implodono rapidamente e tutto il materiale di cui sono composte si compatta in uno spazio ridottissimo.

Quale utilità possono avere per la scienza La scoperta delle onde gravitazionali indica la strada per la creazione di un super “cacciatore” spaziale grande milioni di km. il Lisa Pathfinder si prepara tra poche settimane a iniziare la sua fase operativa, ossia testare le tecnologie necessarie alla creazione di un enorme osservatorio spaziale per le onde gravitazionali composto da tre satelliti distanti tra loro più di un milione di chilometri. Verranno testate le tecnologie necessarie per osservare le onde gravitazionali dallo spazio.

Aveva ragione Albert Einstein: le onde gravitazioni esistono. Quanto previsto un secolo fa – con la teoria della relatività – dal fisico più famoso al mondo è stato rilevato dallo strumento Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), in Usa, e i dati sono stati analizzati dalle collaborazioni internazionali Ligo e Virgo, alle quale l’Italia partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). L’annuncio è stato dato ieri a Cascina (Pisa), dove si trova lo strumento Virgo: le onde gravitazionali sono state rivelatelo scorso 14 settembre alle 10:50:45 ora italiana, e sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri. Già,ma di cosa stiamo parlando esattamente? È possibile spiegare cosa siano queste onde gravitazionali semplificando il più possibile l’argomento? Ad aiutarci a capirne qualcosa di più è Andrea Bersani, 38 anni, fisico dell’INFN e divulgatore scientifico su Scientificast.it.

Andrea Bersani, ma siamo davvero di fronte a una scoperta straordinaria? «Clamorosa. La aspettavamo da tantissimo tempo e stiamo vivendo un momento storico: si apre una nuova finestra sugli effetti astrofisici». Bene, ma riusciamo a capire realmente di cosa si sta parlando? Facciamo finta di spiegare a un bambino cosa sono le onde gravitazionali. «Difficile semplificare, ma possiamo provarci. Partendo dalla forza di gravità». Quella che ci fa restare attaccati alla terra, no? «Sì,che è responsabile della caduta delle cose. È la prima delle forze studiate, ma tutt’ora la meno capita, la più difficile da comprendere».

Perché? «Perché rispetto alle altre è molto più debole.Per questo è difficile fare esperimenti in laboratorio che ci aiutino a capire cosa succede quando le masse in gioco sono molto grandi o le distanze molto piccole». Ok, fin qui ci siamo. Andiamo avanti. «Quando una stella esaurisce il materiale che brucia rendendola luminosa e arriva alla fine, la forza di gravità fa sì che tutto collassi verso il centro. Se la stella è leggera, resta compatta e di una materia simile a noi. Se è grande almeno due volte e mezza il Sole, invece, quando collassa diventa un buco nero». Che, per immagini, come possiamo descriverlo? «Come un enorme aspira polvere dello spazio.La sua forza di gravità è così intensa da risucchiare tutto il materiale che intercetta». E da qui ad arrivare alle onde gravitazionali cosa manca? «Quando due buchi neri si incontrano, uno entra in orbita intorno all’altro.

Entrambi tendono a spiraleggiare riducendo la distanza tra loro, fino a fondersi. La velocità con cui orbitano aumenta sempre e con essa la frequenza con cui compiono le orbite: il fatto che due masse ruotino una intorno all’altra genera un’onda gravitazionale, di frequenza pari al doppio della frequenza di rotazione delle masse». È quanto successo un miliardo di anni fa e abbiamo captato lo scorso 14 settembre. «I due buchi neri avevano una massa rispettivamente 36 e 29 volte superiore a quella del Sole. Si sono scontrati e poi fusi, generando un nuovo “mostro cosmologico”, un buco nero 62 volte più massiccio del Sole, ma così compatto da misurare solo 300 chilometri di diametro. La danza di queste due masse così grandi,fino a una distanza così piccola, ha modificato lo spazio tempo tutto intorno, e ha generato quelle onde gravitazionali che sono arrivate fino a noi».

Una sorta di reazione, come le onde prodotte quando si lancia un sasso in uno stagno. Le definiscono increspature dello spazio-tempo. Che significa? «Se lei va vicino a un buco nero e io resto distante, io vedrò il suo orologio andare più lentamente,perché il buco nero incurva lo stazio-tempo intorno a sè. Se lei arriva addirittura sul bordo del buco nero, io vedrò il suo orologio fermo e lei immobile». Domanda banale. Perché scopriamo oggi una cosa di un milione di anni fa? Quello dello onde gravitazionali è un fenomeno così raro? «Assolutamente no. Finora, però, non si era mai riusciti a captare queste onde.A settembre lo strumento Ligo era stato appena riacceso dopo un upgrade, quindi potenziato». Come si stabilisce che questa onde siano proprio di un miliardo di anni fa? «In base alla velocità: si stima vadano alla velocità della luce».

Come arrivano a noi? «Quando raggiungono la terra si manifestano come microscopici allungamenti e contrazioni dello spazio e risultano quindi rilevabili utilizzando, per esempio, l’interferenza della luce del laser proprio perché quest’ultima è particolarmente sensibile alle variazioni del cammino percorso. Maggiore è la distanza, tanto più sensibile sarà lo strumento». Come è un rivelatore? «È un interferometro con bracci lunghi alcuni chilometri: un fascio di luce laser viene sdoppiato, mandato nei due tunnel e fatto rimbalzare per svariate volte su un sistema di specchi. In questomodo,ilcammino percorso dalla luce diventa di centinaia di chilometri. Alla fine i due fasci vengono ricombinati e si osserva la figura di interferenza.

Se un’onda gravitazionale investe il rivelatore,la lunghezza dei bracci cambia (si modifica la metrica dello spaziotempo) e la figura di interferenza si “deforma”». Bersani, ma cosa cambierà questa scoperta? «Nell’Universo ci sono ancora un sacco di fenomeni misteriosi per i quali informazioni sul comportamento della gravità potrebbero esserci di grande aiuto. In particolare, ci aspettiamo che le onde gravitazionali possano portarci informazioni sui buchi neri, le stelle di neutroni e tutti quegli oggetti che non emettono luce: ricordiamo che la materia visibile, nell’Universo, è circa un sesto di tutta la materia esistente e contribuisce alla gravità su larga scala per meno di un ventesimo del totale». Potremmo anche scoprire qualcosa di più sul nostro passato? «Sicuramente. Il Big Bang è stato talmente violento che potrebbe aver lasciato onde gravitazionali residue in grado di rivelarci la storia dell’Universo».

Lo si sapeva da settimane. La voce, appena sussurrata come fosse un pettegolezzo piccante, è passata d’ufficio in ufficio, da un’università all’altra facendo rapidamente il giro del mondo. Un segreto di pulcinella ufficializzato ieri da un comunicato stampa concertato tra Washington e Pisa: è stato finalmente registrato un segnale attendibile di onda gravitazionale. Se Albert Einstein fosse ancora in vita-cosa poco probabile visto che avrebbe la bellezza di 137 anni! – di certo ne sarebbe entusiasta. Un secolo fa, il fisico tedesco, ormai famoso per un rosario di brillanti teorie, dava alle stampe la più importante di tutte, quella della relatività generale. Dopo soli tre anni le predizioni di questo nuovo approccio al concetto di gravità elaborato da Newton, e riscritto nell’ambito della relatività speciale che pretende l’unificazione dello spazio con il tempo e assegna alla luce una velocità immutabile e invalicabile, poteva già vantare un prima verifica. «Se ho ragione,
in Germania diranno che sono tedesco, e in Francia che appartengo al mondo. Sennò i francesi diranno che sono tedesco e i tedeschi che sono ebreo», scriveva Albert alla madre, ansioso del verdetto.

Preoccupazione inutile. Da allora tutto è andato in discesa per questa sua creatura che lega e fa dipendere l’un dall’altro l’attore e il suo palcoscenico, cioè la materia e lo spazio-tempo che la accoglie. L’una modifica la geometria dell’altro e questo influenza le traiettorie della materia, in un do ut des formulato matematicamente che è parte dei mali di testa degli studenti di fisica e che sembrerebbe essere il manuale d’istruzioni del cosmo per procedere, pochi attimi dopo il Grande Scoppio, al governo dei suoi ingredienti. Eppure, dopo tanti esami passati con lode, alla relatività mancava ancora la validazione di un importante tassello: la previsione di un comportamento dinamico dello spazio-tempo in presenza di masse accelerate.

L’idea è questa. Tutti sanno che una carica elettrica in movimento accelerato genera onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio. È così, per esempio, che vengono prodotti i segnali dei telefonini. Per le masse soggette a forti accelerazioni Einstein aveva previsto un caso apparentemente simile, cioè l’instaurarsi di un’increspatura in movimento nello spazio-tempo. Le differenze tra i due fenomeni sono molteplici, però. Mentre nella teoria classica dell’elettromagnetismo lo spazio in cui si svolge l’evento è una sorta di fondale preesistente e inalterabile, nella emissione di onde gravitazionali lo spazio-tempo interagisce con l’oscillatore.

La conseguenza è una trattazione fisico-matematica più complessa, che scoraggia i non addetti ai lavori. La gravità, poi, è capricciosa. Perché il segnale si produca, c’è bisogno che il complesso delle masse in gioco sia asimmetrico: problema che le cariche elettriche non hanno. E finalmente, mentre la radiazione descritta dalle equazioni di Maxwell viaggia sempre con lo stesso passo, qualunque cosa facciano la sorgente e l’osservatore, la velocità con cui lo tsunami gravitazionale si trasmette non è fissata a priori: anzi, è un ghiotto parametro da determinare con le osservazioni, si diceva, sempre che qualcuno riesca a vederle, queste benedette onde. Da qui la caccia iniziata alcuni decenni fa anche qui da noi da autentici pionieri: gente che sapeva di lavorare per aprire la strada al futuro.

Per i cacciatori di onde gravitazionali il problema è che il metro per misurarle si deforma insieme allo spazio-tempo: come se, in aereo, voleste sapere a che quota siete basandovi sulla vostra distanza dal pavimento. Niente panico, però. Il risultato si raggiunge egualmente confrontando due righelli tra loro perpendicolari prima e durante il passaggio dell’onda. Nella pratica il marchingegno è una coppia di lunghissime piste su cui va avanti e indietro un raggio laser in condizioni ottimali, perché la differenze da apprezzare sono davvero molto molto piccole. Di questi laboratori specializzati ce n’è uno anche in Italia, vicino a Pisa, frutto di una collaborazione tra il nostrano Infn e l’analogo francese. Forse tra qualche anno ce ne sarà un altro, gigantesco, nello spazio interplanetario.

Perché tanto sforzo? Perché siamo fatti per «servir virtute e canoscenza» e perché le onde gravitazionali sono una fantastica sonda per esplorare corpi sinora inaccessibili, come i buchi neri, una coppia dei quali, litigando di brutto, ha causato il segnale appena scoperto. Ma anche nel convincimento, sempre verificato, che l’avanzamento del sapere è strumento di progresso sociale e civile. Speriamo che chi ci governa finalmente lo capisca e realizzi che non si possono fare le nozze coi fichi secchi!

Marco Drago lavora al centro di calcolo «Atlas» del Max Planck Institute a Hannover:

Quanto è emozionato? Si rende conto che con questa scoperta rischia di vincere il prossimo Nobel per la Fisica?

«Certo. Ma presumo che il Nobel andrà ai pionieri che hanno ideato gli interferometri e iniziato il progetto di costruzione».

Come si è sentito quando ha visto i dati che potevano rivelarsi decisivi?

«Non so dire se, in quel momento, fosse più forte l’entusiasmo per la scoperta o lo scetticismo. Appena ho aperto la mail ho chiamato il mio collega Gabriele Vedovato dell’Infn di Padova. Non sapevamo bene se essere felici o se essere scettici. L’unica certezza era che stavolta eravamo di fronte a qualcosa di particolare».

La caccia alle onde gravitazionali coinvolge migliaia di ricercatori nel mondo. È stato un caso se la mail è arrivata proprio a lei?

«No. E ci tengo a precisarlo. Sono stato io, con i miei colleghi di Padova, Trento e Florida, ad aver messo a punto l’algoritmo che valuta i dati raccolti dall’interferometro e decide di inviare la mail di “alert”. In altre parole siamo stati noi a creare il sistema di allarme automatico attraverso il quale l’esperimento comunica i dati che vengono registrati dagli strumenti in tempo reale».

Come funziona il sistema?

«È molto complesso e raccoglie le misurazioni effettuate dagli strumenti. Parliamo di variazioni davvero piccole, dell’ordine del milionesimo di millimetro. È per questo che dobbiamo essere estremamente precisi. Abbiamo disegnato un algoritmo in grado di rilevare segnali consistenti con possibili onde gravitazionali nel ciclo di queste misurazioni. In questo caso l’algoritmo attiva un sistema che invia in automatico una mail a un gruppo di persone: sono loro ad avere il compito di interpretare l’anomalia riscontrata dal sistema».

Allora perchè lei e il suo collega eravate scettici?

«Temevamo di essere davanti a un semplice test: sono quelli eseguiti abitualmente per verificare lo stato di efficienza degli strumenti. Ma per fortuna non era così».

E qual è stato il ruolo dell’altro esperimento, quello che si trova vicino a Pisa, vale a dire «Virgo»?

«Per essere super-precisi avremmo dovuto poter contare anche su “Virgo”, l’osservatorio pisano. Questo, però, è in fase di potenziamento e non è ancora attivo».

Ha confidato a qualcuno il segreto di questa scoperta prima dell’annuncio ufficiale?

«Non mi è stato possibile riferire nulla, perché prima della conferenza stampa ufficiale siamo stati costretti a non dire niente a nessuno. Per i miei genitori ho fatto però una piccola eccezione e, ovviamente, sono molto orgogliosi. Non so se, davvero, se ne rendano ancora conto del tutto».

Adesso che è diventato uno dei «cervelli in fuga» più famosi del mondo ritornerebbe in Italia?

«Io vorrei tornare in Italia. Sono partito all’estero un po’ per fare esperienza e un po’ perché in Italia non mi è stata data la possibilità di rimanere all’interno del campo delle onde gravitazionali. Ma mi piacerebbe ritornare nel mio Paese».

Le onde gravitazionali si aggiungono ai raggi gamma e x, alle onde radio, alla radiazione visibile come strumenti della scatola degli attrezzi con cui smontiamo l’universo per capirlo. Comunque sia, la scoperta è stata fatta, il Nobel è in arrivo e le conseguenze sono formidabili. In primo luogo abbiamo l’evidenza che i buchi neri esistono. Fino a ora vedevamo gli effetti di un “qualcosa” che non vedevamo. Ora esistono. Poi abbiamo la conferma che i buchi neri si fondono fra loro.

Poi ancora sono state poste sul piatto una serie di quesiti magnifici: le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce e quindi esistono i gravitoni a massa nulla, oppure sono più lente e allora i gravitoni hanno massa non nulla? Le stringhe cosmiche generano onde gravitazionali? Esistono stelle a neutroni “rugose”? Perché esplodono le stelle? Prometto che ne parleremo in dettaglio, ora non posso. Ho finito lo spazio.

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One comment

  1. Bene, finalmente anche la scienza potrà scoprire Pangea, quella Realtà che mistici e sciamani hanno potuto conoscere. Con la “spintarella” di uno di essi, Enea, lo sciamano della luce, questo successo dell’Uomo è stato possibile. Nel -6Terzo6Testamento6- vi sono gli indizi che supportano questo argomento.

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