La notizia sensazionale è di due giorni fa: gli esperimenti LIGO e VIRGO hanno solennemente annunciato di avere individuato le onde gravitazionali. Mentre i fisici smaltiscono l’euforia della scoperta e i postumi dei selvaggi festeggiamenti, cerchiamo rapidamente di fare il punto per capire cosa sono, come le abbiamo trovate e, soprattutto, che prospettive apre la scoperta.

L’esistenza di onde gravitazionali fu dedotta matematicamente da Albert Einstein nel 1916, nell’ambito della Relatività generale. In questa teoria molti sapranno che la descrizione del campo gravitazionale avviene attraverso la nozione di spazio-tempo curvo. Che significa? Che nelle equazioni di Einstein la variabile principale non è la posizione dei corpi (come avviene nella fisica newtoniana), ma la forma dello spazio, che dalla presenza di corpi viene modificata. Ovvero, nel paradigma di Einstein tutti i corpi si muovono secondo quella che per loro è una linea retta, ma che vista dall’esterno del sistema corrisponde a una traiettoria curva!
A questo punto, inserendo una piccola perturbazione in uno spazio piatto (è un procedimento che piace molto ai fisici: prendo un sistema di cui conosco la soluzione esatta, lo modifico di poco e vedo, in prima approssimazione, che succede) e applicando le equazioni di Einstein a questa geometria dello spazio (tecnicamente, tensore metrico) risulta un’equazione ben nota: l’equazione delle onde, ovvero l’operatore quadratello applicato proprio a quella piccola variazione di cui parlavamo prima. In fisica, ogni volta che appare l’operatore quadratello (dalembertiano, per i pignoli) ci troviamo di fronte alla propagazione di un’onda.

Ma come si crea quest’onda? In teoria ogni accelerazione dovrebbe generarne, ma l’intensità è decisamente troppo piccola! E cos’è che si propaga? Una piccola modifica della forma dello spazio: nel caso annunciato la distanza Terra-Sole cambia della lunghezza di un atomo. Facile da misurare, no? Anche nel 1865 Maxwell ricavò il quadratello dalle equazioni dell’elettromagnetismo, e qualche anno dopo Hertz scoprì che Maxwell aveva ragione, realizzando le onde elettromagnetiche.

Ma le onde elettromagnetiche si possono creare in casa… E le onde gravitazionali? Dobbiamo aspettare che ci arrivino. E serve un evento astronomico di enormi dimensioni perché l’onda sia abbastanza potente.In particolare, lo scontro tra due buchi neri (due oggettini pesanti qualcosa come 30 volte il Sole) è una buona sorgente.

Un atomo su cento milioni di chilometri. E se vi dicessi che l’abbiamo misurato considerando solo 4 km? Non ci credereste, vero? Eppure l’idea è semplice, e, soprattutto, non è nuova. Un esperimento simile si usa, per esempio, in tutti i laboratori per misurare l’indice di rifrazione di un gas. Apro una breve parentesi: in un mezzo la luce si muove più lentamente, ma in un gas davvero di poco. Allora, come misuriamo il rapporto tra la velocità nel mezzo e quello nel vuoto? La risposta viene da un fenomeno ondulatorio, l’interferenza. Se prendiamo due raggi di luce che partono perfettamente in fase e facciamo fare loro due percorsi diversi (ovvero, un percorso di uguale lunghezza a velocità differenti) e poi li facciamo incontrare, i raggi saranno sfasati, e otterremo sullo schermo una figura d’interferenza, ossia macchie più chiare e altre più scure. Misurando la distanza tra le macchie si ritroverà il rapporto cercato. Per l’indice di rifrazione, faremo passare un raggio in un tubo vuoto, e uno in un tubo pieno di gas, di uguale lunghezza, e li faremo riflettere su degli specchi perché arrivino nello stesso punto. Usando un laser, poi, avremo facilmente una fonte di luce perfettamente in fase.

Passiamo dai gas alla gravità. Sappiamo dalla teoria delle onde gravitazionali che l’onda agisce allargando le distanze in una direzione e diminuendole in quella ortogonale. Quindi costruiamo due tubi di 4 km orientati ad angolo retto, facciamo partire il laser, lo riflettiamo e vediamo la figura. Se non accade niente, non c’è stata l’onda. Ma se vediamo un’interferenza… Abbiamo la scoperta del secolo!

Calma, calma, tra il dire e il fare c’è in mezzo il mare, e i fisici lo sanno bene. Gli esperimenti mentali funzionano sempre, ma la realtà è più complicata. Dobbiamo sempre misurare qualcosa di terribilmente piccolo! Bisogna controllare i potentissimi laser, c’è da mantenere il vuoto pressoché totale nei tubi… Un esperimento del genere si basa su tecnologie avanzatissime. Per questo vi lavorano centinaia di persone. E molte cose (un terremoto, tanto per fare un esempio) possono modificare delle distanze tra due punti sulla Terra. Quindi è stato necessario prima calcolare teoricamente quale sarebbe stata la “firma” dell’onda gravitazionale per riconoscere l’evento in mezzo al rumore di fondo. A settembre, il fenomeno è finalmente arrivato, e i fisici hanno riconosciuto la “firma” essere quella di uno scontro tra due buchi neri, avvenuto 1300 milioni di anni fa, che ha rilasciato un’energia pari a tre volte la massa del Sole. Non male, eh?

La prima domanda che dopo l’annuncio di ieri i giornalisti hanno rivolto agli scienziati è stata: “E ora? Che succede?”. “Semplice”, hanno risposto. Si va avanti. Credete che basti agli uomini assetati di conoscenza una sola onda gravitazionale? Ne vogliamo tante! Dobbiamo sapere che l’onda è alla fine l’unico fenomeno fisico che permette di comunicare. Usiamo le onde sonore per parlare, le onde elettromagnetiche per scambiare segnali visivi, e le onde gravitazionali? Non riusciremo a comunicare con esse, ma certo possiamo ascoltarle per leggere, con un nuovo senso, l’universo. Oggi nasce l’astronomia ad onde gravitazionali. Nei tempi antichi gli astronomi guardavano l’universo solo con gli occhi: si usava la radiazione elettromagnetica nel campo visibile. Poi abbiamo imparato a usare tutto lo spettro radio per scandagliare il cosmo, ma sempre di elettromagnetismo si tratta. Oggi abbiamo uno strumento in più.

Infine, tutti abbiamo esultato dicendo “Einstein aveva ragione!”. Dovremmo dire, in realtà, “Einstein non ha torto, per ora”. La differenza è sostanziale. Certo, la Relatività generale riceve nuovamente una conferma, ma la fisica oggi non cambia, è solo più sicura. Il vero passo avanti sarà quando scopriremo qualcosa che, invece, Einstein avrebbe negato.


L’articolo in cui si annuncia la scoperta, pubblicato dal team LIGO/VIRGO, si può leggere a questo indirizzo. L’immagine di copertina è tratta dallo stesso articolo.

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Un pensiero riguardo “Onde gravitazionali: cosa sono e come le abbiamo scoperte

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