Onde gravitazionali, cosa sono e come osservarle

• 24 febbraio 2016

Il 14 settembre 2015 si è verificata un’importante scoperta scientifica, la misurazione delle onde gravitazionali, ma cosa sono le onde gravitazionali e perché è stato così importante rilevarle? Per capirlo dobbiamo fare qualche passo indietro nel tempo, a 100 anni fa, nel 1915, quando Einstein propose la sua teoria della relatività in base alla quale i concetti di “spazio” e “tempo”, che normalmente sono visti come due concetti separati, sono in realtà strettamente legati tra loro e formano una struttura molto particolare: lo spazio-tempo, il “palcoscenico” sul quale si svolgono tutti i fenomeni fisici dell’universo.

La tessitura dello spazio-tempo non è piatta e uniforme, ma subisce gli effetti della forza di gravità degli oggetti celesti che ne deforma la struttura, lo possiamo quindi immaginare un po’ come la superficie di un lago e ogni oggetto che si muove crea delle onde (le onde gravitazionali) che ne increspano la superficie, e, proprio come se fossero delle navi, più l’oggetto in movimento è “pesante” più la sua perturbazione sarà intensa. Tuttavia anche i fenomeni più catastrofici generano onde piccolissime, lo stesso Einstein era convinto che non saremmo mai stati in grado di rilevarle.

Il 14 settembre 2015 si è verificato un evento molto raro e particolare, due buchi neri con una massa compresa tra 29 e 36 volte la massa del nostro Sole e distanti 1.3 miliardi di anni luce (quindi in realtà l’evento è avvenuto 1.3 miliardi di anni fa) si sono scontrati, nel momento dello scontro una massa pari a 3 volte la massa del Sole si è trasformata quasi istantaneamente in energia, formando un’onda gravitazionale sufficientemente intensa da poter essere rilevata anche qui sulla Terra.

Ma come la si può rilevare un’onda gravitazionale? Sfruttando il suo effetto sul nostro pianeta, l’onda mentre si propaga deforma sia la tessitura dello spazio-tempo sia la forma degli oggetti che vi sono contenuti, quindi anche la superficie del nostro pianeta si deforma al passaggio di un’onda gravitazionale. La deformazione però è infinitesima, per poterla misurare bisogna costruire degli strumenti molto particolari, detti interferometri, strumenti che misurano l’interferenza tra due fasci di luce, quelli del LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) sono formati da due camere a vuoto quasi assoluto lunghe 4km poste a formare una L e in grado di fornire misure estremamente precise di distanza, fino a 10000 volte più piccole di un nucleo atomico (10-19m), questa sensibilità è necessaria per poter misurare l’effetto delle onde gravitazionali sul pianeta. In condizioni normali i due fasci laser che scorrono attraverso l’interferometro sono regolati in modo tale che creano interferenza distruttiva nel punto in cui si incontrano, cioè si “cancellano” a vicenda e si ottiene un segnale nullo al rilevatore, ma quando un’onda gravitazionale attraversa la Terra ne deforma la superficie, alterando così la distanza tra gli specchi, questo crea uno sfasamento tra i due fasci laser, cioè non si annullano più a vicenda, dando un segnale al rilevatore che è stato trasformato in un segnale sonoro, quindi in pratica si è “ascoltato” lo scontro tra due buchi neri.

L’importanza della scoperta sta proprio nel fatto di aver rilevato direttamente per la prima volta l’esistenza delle onde gravitazionali, fornendo un’ulteriore prova della validità della teoria della relatività, a questo si aggiunge anche l’aver osservato per la prima volta gli istanti finali dello scontro tra due buchi neri, un evento estremamente raro, ma non solo adesso abbiamo anche un nuovo strumento per poter osservare lo spazio, in particolare gli oggetti più densi come buchi neri e stelle di neutroni, “ascoltando” le onde gravitazionali che producono grazie a queste nuove “orecchie spaziali” che hanno aggiunto un “senso” per lo studio del cosmo.