"Finalmente sono cresciute le orecchie"

La teoria della relatività formulata da Albert Einstein, prima nella sua versione ristretta e poi in quella generale, ha modificato profondamente la teoria della relatività galileiana e ha cambiato il nostro concetto di tempo e di spazio. Per quanto sorprendenti, le previsioni di Einstein hanno ottenuto numerose conferme. Einstein formulò una nuova teoria della relatività basata su due principi: il primo è che le leggi della fisica non cambiano quando si passa da un riferimento inerziale a un altro; il secondo è che la velocità della luce nel vuoto, indicata con c, è la stessa per qualsiasi osservatore, fermo o in movimento, è indipendente dalla velocità della sorgente ed è la massima velocità raggiungibile. Le conseguenze di questa affermazione hanno cambiato radicalmente i nostri concetti di tempo e spazio. 

Nel corso di due conferenze stampa svoltesi simultaneamente l’11 febbraio 2016 a Washington, presso il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), e a Cascina, in provincia di Pisa, presso l’European Gravitational Observatory (EGO), è stata annunciata la scoperta, per la prima volta nella storia, delle onde gravitazionali teorizzate da Albert Einstein nel 1915.

"Siamo riusciti a individuare le onde gravitazionali, ce l'abbiamo fatta", ha riferito David Reitze, direttore esecutivo del Ligo, confermando che si tratta esattamente di quanto ipotizzato da Einstein nella sua teoria della relatività, di cui nel 2015 si è celebrato il centenario.

Anche se tutti gli aspetti fondamentali di questa teoria, tra cui l’equivalenza massa-energia, erano stati finora dimostrati, solo ora è possibile affermare con prove certe l'attendibilità relativa all'esistenza di onde gravitazionali.

Secondo l'ipotesi dello scienziato tedesco, la gravità è dovuta alla curvatura dello spazio-tempo generata dalla massa, e ogni spostamento di un qualsiasi corpo dotato di massa causerebbe queste onde. Le onde gravitazionali sono quindi increspature nello spazio-tempo, come quelle di una pietra lanciata in uno stagno, risultanti però dall’accelerazione nello spazio di oggetti dalle dimensioni enormi.

Ogni volta che ci alziamo dal letto, che camminiamo, che spostiamo un oggetto, produciamo onde gravitazionali, ma più un evento è di vasta portata, più grandi sono le onde gravitazionali che produce. Le onde attraversano dunque la Terra continuamente, ma non è possibile notare la loro azione di distorsione dello spazio intorno a noi, perché al momento del loro arrivo le loro vibrazioni sono di grandezza infinitesimale.

Eventi come il Big Bang o la formazione di buchi neri, ad esempio, sono in grado di generare onde gravitazionali di una straordinaria portata energetica, ma nonostante l’enormità di questi eventi, le variazioni causate dalle vibrazioni sono inferiori alle dimensioni di un atomo.

Le onde rilevate dal team di scienziati sono invece il risultato della collisione avvenuta 1,3 miliardi di anni fa tra due buchi neri.

I due oggetti erano di dimensioni così notevoli che l'interazione delle loro gravità distorse lo spazio e il tempo che li circondava come uno specchio deformante.

Ora, per la prima volta, queste onde minuscole generate da eventi di questa portata sono state rilevate, e i fisici sono già concordi nel considerare l’evento una delle più grandi scoperte del secolo.

La scoperta spalanca infatti le porte a un nuovo modo di studiare l'universo e i suoi fenomeni: fino a oggi, infatti, sono stati osservati solo i segnali che le stelle, le galassie e i pianeti hanno emesso nell'universo. Le onde gravitazionali, invece, possono permettere agli studiosi di capire se esistono realmente alcuni fenomeni che abbiamo visto finora solo nelle opere di fantascienza, come i tunnel spazio-temporali, che metterebbero in collegamento tra di loro luoghi remoti dell'universo.

Trovare queste onde dà agli scienziati un nuovo modo di guardare l'universo. Si potrebbe, per esempio, trovare indizi su ciò che è accaduto frazioni di secondo dopo il Big Bang, le cui onde si propagano tuttora come un’eco attraverso il tessuto della nostra realtà.

Szabolcs Marka, un collaboratore del Ligo, ha dichiarato al New York Times. "Fino ad oggi, il campo dell’astronomia è sempre stato associabile a un occhio. Finalmente sono cresciute le orecchie. Non abbiamo mai avuto orecchie prima".

Sara Custode

LE ONDE GRAVITAZIONALI: LA “MUSICA” DELL'ASTRONOMIA

Le onde gravitazionali, già ipotizzate da Albert Einstein ormai un secolo fa, sono le vibrazioni dello spazio tempo che si manifestano con fenomeni violenti come scontri di buchi neri o come il Big Beng, Nonostante Einstein avesse pensato che la loro “musica” sarebbe rimasta inascoltata per l'eternità, lo scorso 11 febbraio gli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno dimostrato che Einstein aveva sia ragione sia torto, annunciando di aver rilevato la prima nota di quella sinfonia cosmica; un suono di onde gravitazionali che erano state prodotte dalla nascita di un buco nero. La scoperta delle onde gravitazionali è anche la conferma definitiva della Teoria della Relatività generale. Erano infatti l’unico fenomeno previsto da questa teoria a non essere stato ancora osservato. Secondo Einstein, quando una qualsiasi massa (che sia un sasso, una stella o un buco nero) viene accelerata, emette onde gravitazionali. Sono segnali molto deboli e complicati da osservare perché fanno oscillare tutto lo spazio-tempo, compresi gli strumenti che dovrebbero rilevarli. Riuscire a vederle è stata considerata a lungo una sfida impossibile. Ben presto, secondo gli astronomi, si prevede quindi di misurare non solo il rumore che produce un buco nero neonato, ma sono già alla ricerca delle increspature prodotte da collisioni di stelle massicce e di stelle di neutroni. Il processo di fusione dei due buchi neri che produce le onde gravitazionali rivelate è un evento accaduto a 410 megaparsec da noi, e risale quindi a quasi un miliardo e mezzo di anni fa, quando sulla Terra facevano la loro comparsa le prime cellule evolute in grado di utilizzare l’ossigeno. Osservare il cosmo attraverso le onde gravitazionali ci permette quasi di fare una sorta di ecografia del nostro pianeta. Ma come vengono ascoltate queste onde? Dopo aver trovato il suo primo segnale, LIGO si sta attrezzando per trasformarli in strumenti di routine per l'astronomia. Nelle stazioni gemelle di LIGO, ogni luce laser va avanti e indietro tra specchi tra loro perpendicolari lungo bracci da quattro chilometri ciascuno disposti a L. Un'onda in entrata deforma leggermente questi bracci in modo che uno diventa più corto o più lungo dell'altro solo di pochi millesimi del raggio di un protone, alterando il tempo di viaggio della luce e innescando le rilevazione. Qualsiasi rumore di fondo può rovinare la delicata misurazione: LIGO può sentire anche le onde dell'oceano abbattersi su coste lontane, gli aerei volare nel cielo e anche il ronzio prodotto dalle lavatrici. La capacità di LIGO di rilevare le onde gravitazionali nel rumore di fondo si deve a una serie di recenti aggiornamenti "Advanced LIGO" per ridurre il rumore che hanno interessato entrambe le stazioni, rendendole dieci volte più sensibili rispetto a quelle della prima generazione. Quando le onde attraverseranno diversi interferometri presenti in diverse stazioni, sarà possibile anche rilevare la provenienza di queste onde permettendo così di posizionare i telescopi gravitazionali in luoghi appositi. Sono già stati mandati nello spazio dei pulsar, che tramite comunicazioni con radiocomandi a terra, permettono di far giungere fino a noi dei fasci di luce regolari e confrontando i tempi di arrivo delle luci, gli astronomi sperano di rilevare  onde gravitazionali con lunghezze d'onda misurate in mesi luce e anni luce, ma nonostante la tecnica sia valida, ancora non ha riscontrato risultati rilevanti. La massima aspirazione potrebbe essere lo studio del Big Bang. La luce e altre radiazioni iniziarono ad emergere solo 300.000 anni dopo il Big Bang, ma con le onde gravitazionali si potrebbe andare a ridosso della “grande esplosione” scoprendo cose che oggi neppure ci immaginiamo.

Erica Benassi

Il genio di Einstein

L’onda gravitazionale è una deformazione della curvatura dello spaziotempo che si propaga come un’onda. Infatti, secondo la teoria della relatività, la curvatura e la distorsione dello spaziotempo sono legate alla distribuzione delle masse e dell’energia.

Già nel 1916, un grande fisico e filosofo tedesco, Albert Einstein, aveva ipotizzato l’esistenza di queste onde gravitazionali, e dopo cento anni hanno confermato questa teoria.

La scoperta è stata resa possibile da un catastrofico impatto accaduto quasi un miliardo e mezzo di anni fa; si trattava di una collisione tra due buchi neri e grazie a quel terribile “scontro”, si è dimostrato al mondo, ancora una volta, quanto la mente e l’intelligenza di Einstein superassero quelle del genere umano.

In quell’attimo, e in una frazione di secondo, nell’Universo è stata emessa l’energia pari a tre masse solari.

L’annuncio è stato dato giovedì 11 febbraio, nel corso di due conferenze congiunte, una negli Stati Uniti a Washington nella sede della National science foundation (Nsf), mentre l’altra in Italia; a Cascina, vicino a Pisa, nella sede dello European gravitational observatory (Ego). La frase che riunisce tutti i concetti di questa conferma è: “Le onde gravitazionali sono state rilevate per la prima volta il 14 settembre 2015 da due buchi neri in un sistema binario”.

Le ricerche non avvengono solo in Italia e negli Stati Uniti; ma questa importante teoria viene studiata da oltre mille ricercatori, appartenenti a quasi 140 istituzioni di tutto il mondo.

Grazie a questa conferma, l’approccio con l’Universo è completamente nuovo. La scoperta fatta da Ligo, che è la denominazione di “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory”, potrebbe riscrivere quelli che sono stati considerati per molti anni dei “solidi postulati”.

Gli scienziati hanno osservato in modo diretto le onde gravitazionali: increspature nel “tessuto” dello spaziotempo, perturbazioni del campo gravitazionale, arrivate sulla Terra dopo essere state prodotte da un cataclisma astrofisico avvenuto nell’Universo profondo.

Sono usate diverse similitudine per descrivere questo fenomeno come: “un sasso ha perturbato la superficie di uno stagno, generando increspature che ancora oggi stanno propagando, nello spazio e nel tempo e alla velocità della luce”. Solo che il sasso è un enorme buco nero rotante, nato dall’abbraccio di due di questi voraci cannibali cosmici, e lo stagno l’intero universo, di cui il Sistema solare non è che una molecola.

Questo scontro tra titani è avvenuto al di fuori della Via Lattea, a una distanza dalla Terra di circa 410 megaparsec, dove un parsec equivale a poco più di tre anni luce, quindi le onde hanno viaggiato tutto questo tempo nel cosmo, alla velocità della luce, fino ad adesso.

Il primo segnale diretto di un’onda gravitazionale è brevissimo, della durata di una frazione di secondo, captato il 14 settembre 2015. È stato generato da due buchi neri che spiraleggiano l’uno intorno all’altro fino a scontrarsi a una velocità enorme, pari a circa la metà di quella della luce, fondendosi in un unico buco nero rotante che, prima di stabilizzarsi, vibra come una campana. Un vero e proprio “terremoto” che ha prodotto, anziché onde sismiche, onde gravitazionali.

Mai prima d’ora, gli scienziati erano riusciti a catturare un segnale, un’informazione di prima mano, proveniente direttamente dal cuore impenetrabile di questi buchi neri.

Questa scoperta è stata definita anche: “Come quando Galileo puntò al cielo il suo cannocchiale”, dove scoprì che la Terra gira attorno al Sole e non il contrario. È come avere puntato al cielo un nuovo tipo di cannocchiale, come fece Galileo quattro secoli fa. Ogni volta che questo è successo in passato l’essere umano ha fatto scoperte straordinarie, oppure ha dovuto porsi nuove domande, spesso ancora senza risposte.

Jessica Grandi

Onde gravitazionali, che cosa sono?

In due conferenze stampa in contemporanea organizzate a Washington (Stati Uniti) e a Cascina (Italia), i ricercatori degli esperimenti LIGO (Stati Uniti) e VIRGO (Europa) hanno annunciato di avere rilevato e verificato l’esistenza delle “onde gravitazionali”, una scoperta fondamentale per la fisica e che probabilmente varrà il Nobel ai suoi autori.

Furono ipotizzate per la prima volta da Albert Einstein un secolo fa come conseguenza della sua teoria della relatività generale e per decenni gli scienziati hanno cercato indizi di vario tipo per dimostrarne l’esistenza, ma finora i loro tentativi erano stati viziati da interferenze di vario tipo e dalla mancanza di strumentazioni sensibili a sufficienza. Ma cosa sono esattamente queste onde gravitazionali?

L'onda gravitazionale è un'increspatura nel tessuto dello spazio-tempo. Immaginiamo che lo spazio sia un gigantesco tappeto di gomma: gli oggetti dotati di massa deformano il tappeto, come ad esempio una palla da bowling che viene lasciata cadere su un trampolino elastico; più la massa è grande e più lo spazio è incurvato e deformato per effetto della gravità.

Per esempio, la ragione per la quale la Terra gira intorno al Sole è che il Sole è molto massiccio, il che provoca una grande deformazione dello spazio intorno ad esso. Se provassimo a muoverci in linea retta intorno a una deformazione, ci troveremmo in pratica a girare in tondo.

Così funzionano le orbite: non c'è una vera forza che trattiene i pianeti in circolo, c'è solo la curvatura dello spazio.

Le onde gravitazionali sono prodotte ogni volta che delle masse accelerano, modificando la deformazione dello spazio. Qualunque oggetto dotato di massa e/o energia può generare onde gravitazionali. Tuttavia, siccome la gravità è molto debole rispetto alle altre forza nell'universo, occorrono oggetti molto massicci che si muovono molto velocemente per produrre delle increspature abbastanza grandi da essere rilevate. Ma come si fa a rivelare un'increspatura dello spazio?

Grazie alla velocità della luce. Se lo spazio tra due punti si dilata, allora la luce impiega più tempo per andare da un punto all'altro; se invece lo spazio si restringe, la luce ci mette meno tempo per andare da un punto all'altro.

Ed è proprio qui che interviene l'esperimento LIGO (osservatorio interferometro a laser per onde gravitazionali) il quale è riuscito a misurare in maniera molto precisa la dilatazione e il restringimento dello spazio misurando l'interferenza tra i fasci laser che sono riflessi da un'estremità all'altra.

L'effetto di un'onda gravitazionale si confonde talmente facilmente con il rumore di fondo che c'è bisogno di una tecnica raffinata per analizzare i dati.

Gli scienziati sperano d'identificare le caratteristiche delle onde gravitazionali confrontando le ondulazioni che misurano nell'esperimento con le ondulazioni che si aspettano dalle onde gravitazionali. E' un po' come se provassimo a riconoscere una canzone canticchiata ad un concerto.

Rivelare le onde gravitazionali è estremamente importante perché ci permetterebbe di studiare e osservare l'universo in un modo completamente nuovo, scoprendo e cercando cose nuove che non sapevamo che esistessero e testando le teoria su come funziona l'universo.

Monica Hernandez