Onde gravitazionali: osservare, ascoltare, esplorare l’universo
di Domenico Iannace
“Tanto tempo fa, in una galassia lontana, lontana….”
No, non è l’inizio di una delle saghe fantascientifiche più famose del nostro secolo. Questa è la realtà, è ciò che realmente è accaduto nel nostro Universo. Un miliardo di anni fa due buchi neri iniziarono a girare l’uno intorno all’altro, creando una spirale e fondendosi in un unico buco nero dalle dimensioni imponenti. La collisione generò l’energia di miliardi di miliardi di Soli in una frazione di secondo, sprigionando onde gravitazionali ancora in movimento, che increspano lo spazio-tempo viaggiando alla velocità della luce. Nel loro percorso le onde hanno compresso lo spazio in una direzione, ma lo hanno allungato nell’altra.
Ma a cosa serve saperlo? Con la recente scoperta delle onde gravitazionali, si è potuto dimostrarne l’esistenza che, cento anni fa, fu solo teorizzata dallo scienziato più geniale e più famoso del Novecento (e oserei dire di tutti i tempi, non togliendo nulla a Newton, Maxwell ed altri): Albert Einstein.
Nella teoria della relatività generale, Einstein descrive la forza di gravità come una distorsione del tessuto dello spazio-tempo prodotta dalla presenza di masse. La celeberrima formula E=mc2 asserisce che l’accelerazione di oggetti massivi può increspare il tessuto spazio temporale, emanando le onde gravitazionali. In poche parole, lo spazio dice alla materia come muoversi e la materia dice allo spazio come curvarsi: in una porzione determinata dello spazio, la sua curvatura risulta proporzionale ad un numero e alla quantità di materia (o energia) che racchiude; dove l’energia è direttamente proporzionale alla massa (m) e alla velocità della luce (c2).
In termini pratici, il movimento dei corpi celesti in un campo gravitazionale può essere dimostrato attraverso un esperimento molto semplice che può chiarire la questione (potete farlo anche a casa con gli amici). Immaginiamo che più persone sorreggano un lenzuolo steso (che rappresenta l’Universo), posizionando al centro una sfera pesante (il Sole). Muovendo delicatamente il lenzuolo, si otterrà sulla tela un’ondata di solchi e pieghe (piegatura e curvatura dello spazio-tempo) che metterà in movimento la sfera (il nostro Sole). L’inerzia la spingerà a disegnare ogni tipo di traiettoria, evitando piccoli monticelli, rotolando verso il basso negli affossamenti e frenando quando incontra una pendenza. La forma che adotta la superficie del lenzuolo (lo spazio, il cosmo, l’Universo) – che si può modificare a piacere – determina il percorso della sfera. La sfera, però, non si limita ad interpretare un ruolo passivo, poiché anche il suo peso ed il suo movimento contribuiscono a modellare la forma del lenzuolo: la sua presenza disturberebbe, ad esempio, la traiettoria di una biglia (come un asteroide) lanciata in linea retta sulla tela, così come i movimenti di chi sostiene il lenzuolo.
Questo facile esperimento si può estendere ai campi gravitazionali, dove la presenza della massa, o anche di energia (la nostra sfera “magica”) deforma il tessuto dello spazio-tempo (il nostro lenzuolo “cosmico”) e, così facendo, frena e accelera, devia dalla loro traiettoria o intrappola i corpi (la nostra biglia-asteroide) in una coreografia dinamica, alla cui creazione partecipano tutte le masse.
Da tutto ciò si genererebbero le onde gravitazionali, che non sono altro che increspature dello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce. Esiste, però, una differenza sostanziale con le onde elettromagnetiche: le onde elettromagnetiche usano lo spazio ed il tempo come una specie di mezzo di propagazione; le onde gravitazionali sono, invece, il risultato della modificazione dello spazio-tempo, proprio perché la gravitazione è una deformazione di questo tessuto cosmico. In altri termini le onde gravitazionali generano una variazione delle coordinate spazio-temporali, cioè percorrendo queste linee provocano un avvicinamento e un restringimento dello spazio-tempo. Ciò significa che, quando l’accelerazione di gravità (l’accelerazione che un corpo subisce quando è lasciato libero di muoversi in caduta libera in un campo di gravità) è molto più alta che sulla Terra, il tempo non scorre sempre allo stesso modo, ma varia a seconda dello spazio che un oggetto deve percorrere. Il tempo scorrerà più lentamente perché lo spazio è incompatto.
Ma questo sfasamento appartiene ad un ordine di grandezza veramente molto piccolo. Si ipotizza che il tempo nell’universo, in alcuni fenomeni, si fermi. Ritornando ad Einstein, anche il tempo come lo spazio è relativo.
Ma come gli scienziati hanno scoperto e, quindi, dimostrato l’esistenza delle onde gravitazionali? Grazie al L.I.G.O (osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali), situato tra Livingstone (Louisiana) e Hanford (Washington), il 14 settembre 2015 è stata rilevata una luce intermittente trasformata, poi, in un’onda sonora: un sussulto che rappresenta l’eco di quei due buchi neri e del cataclisma cosmico avvenuto un miliardo di anni fa.
Ma cosa è esattamente il L.I.G.O e come funziona? É un osservatorio formato da due rilevatori, ciascuno dei quali è composto da un’antenna a forma di L con bracci lunghi quattro chilometri; all’interno delle estremità di tali bracci, si trovano specchi sospesi di vetro puro isolati dal rumore, dal calore e dalle vibrazioni del mondo esterno. Un raggio laser misura la separazione degli specchi; il raggio viene diviso in due e inviato verso gli specchi, che si trovano all’estremità di ogni braccio dell’antenna che hanno uguale lunghezza; i raggi, tornando indietro, si cancellano a vicenda in modo che il rilevatore Ligo non veda alcuna luce. E qui il 14 settembre 2015 è avvenuta la scoperta sensazionale ed inaspettata: il passaggio di un’onda gravitazionale (provocata dalla collisione fra i due buchi neri) ha allungato uno dei due bracci ed ha accorciato l’altro. Una discrepanza minima, una frazione della larghezza di un protone, ma sufficiente a disallineare i raggi laser ed illuminare il rilevatore ad intervalli ritmati.
L’evento, oltre a dimostrare l’esistenza delle onde gravitazionali, solo teorizzate da Einstein, apre le porte alla nuova astronomia che non si limita ad osservare l’Universo, ma lo “ascolta”.
Ligo è solo l’inizio di una nuova era scientifica. Nel gennaio 2016 il veicolo spaziale Lisa Pathfinder è arrivato a destinazione, in un punto dello spazio a milioni di chilometri da noi dove la gravità del Sole e quella della Terra si annullano a vicenda. Perchè proprio lì? Per mantenere due cubi d’oro e platino in perfetta caduta libera e al contempo perfettamente immobili. Possibile? Certo, perchè in quel punto la forza di attrazione gravitazionale della Terra si annulla con quella del Sole. É come se due lottatori di sumo di ugual forza tirassero la stessa corda in direzioni opposte: la forza dell’uno annullerebbe quella dell’altro. E se a metà della corda si potesse posizionare un tavolino con un uovo sopra ….beh quel tavolino e quell’uovo non si sposterebbero mai…è il cosiddetto punto di equilibrio. Lo stesso vale per i due cubi d’oro e di platino.
Per quale scopo fare ciò? Solo per eseguire un test di preparazione del progetto Elisa, in cui tre veicoli spaziali saranno posizionati a milioni di chilometri di distanza l’uno dall’altro (ma sempre in caduta libera e al contempo immobili), collegati da tre raggi laser, in attesa di registrare altre onde gravitazionali (una specie di triangolo spaziale delle “Bermuda” che fungerà da rete per “ascoltare” l’Universo).
Dai buchi neri più vicini ai primi rantoli del Big Bang, dalla nascita alla morte dei corpi celesti, avremo orecchie per ascoltare la melodia sublime del Cosmo. E, forse, un giorno oltre ad udire ed osservare l’Universo, potremmo anche esplorarlo, nello spazio ma anche nel tempo…
Ma questo, per ora e solo per ora, è appannaggio dei film fantascientifici: “Tanto tempo fa, in una galassia lontana, lontana….”
