Con questo articolo racconteremo, in breve, la storia delle onde gravitazionali e di LIGO e VIRGO, inaugurandoo la nostra rubrica “Penelope Science”.

Avevo diciotto anni la prima volta che ne sentii parlare, ricordo l’emozione nella voce dei miei professori mentre ci spiegavano l’avvenimento.

Molti alunni sbuffavano, annoiati, ma qualcosa dentro di me da quel giorno è cambiato per sempre.

“Grazie al modello matematico posso dirvi come è nato l’universo, ma non chiedetemi il perché“

Stephen Hawking

Da Albert Einstein a Ligo e Virgo

È il 1916 quando Albert Einstein pubblica la teoria della relatività generale, rivoluzionando la concezione della fisica moderna e predicendo le onde gravitazionali.

La storia si fa più interessante quando i ricercatori dell’Università di Stanford e della NASA confermano due previsioni contenute nella teoria. Lo spazio-tempo attorno alla Terra è leggermente deformato, proprio come aveva previsto lo scienziato. A dimostralo, misurando l’entità di questa deformazione, è stato l’esperimento Gravity Probe B, iniziato nel 2004.

Il progetto di ricerca ha sfruttato quattro giroscopi ultra-precisi per misurare due aspetti importanti sulla gravità: l’effetto geodetico, ossia la deformazione dello spazio-tempo attorno a un corpo celeste massiccio, e l’effetto di trascinamento, che è il fenomeno per cui la Terra distorce lo spazio-tempo locale con la sua rotazione.

Gravity Probe B ha riscontrato entrambi gli effetti misurando le variazioni nell’asse di rotazione dei giroscopi, rispetto alla posizione della stella IM Pegasi, sotto l’effetto della gravità terrestre.

Di cosa stiamo parlando più precisamente?

Le onde gravitazionali, in teoria, sono la soluzione ai calcoli di Einstein, in pratica, sono deboli increspature del tessuto spazio tempo che viene descritto come un tessuto deformabile simile alla gomma.

Sono immaginabili come vibrazioni che viaggiano quasi alla velocità della luce ma non si possono vedere e non si possono riprodurre in laboratorio. Infatti per provarne l’esistenza ci vorranno 100 anni esatti di ricerche scientifiche.

Nel 1974 ci avvicinammo con la scoperta indiretta dei fisici americani Hulse e Taylor che misurarono una perdita di energia. Fu dovuta all’emissione di onde gravitazionali da parte di un sistema binario di pulsar (stelle di neutroni in rapida rotazione, che hanno la caratteristica di emettere periodicamente impulsi di radioonde). Per questi studi i due scienziati ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1993.

Quali sono gli eventi che generano queste onde?

Lo spazio è immenso, letteralmente infinito, immersi in esso troviamo continui eventi catastrofici con una massa ed una forza inimmaginabili.
Prendiamo ad esempio i collassi gravitazionali: una stella massiccia (tra le 10 e le 30 masse solari) che ha esaurito il suo combustibile nucleare collassa sotto l’effetto della propria gravità. Il declino del core della stella è accompagnato dall’espulsione degli strati più esterni di essa e da una luminosità potentissima, trasformandosi quindi, in una supernova.

Il collasso gravitazionale porterà infine alla creazione di una stella di neutroni, oppure, ad un buco nero. Un’altra causa può essere il collasso di un sistema binario: quando due corpi celesti con masse differenti (una minore ed una molto maggiore) si avvicinano tra di loro, ruotando
vorticosamente, per poi scontrarsi l’una con l’altra.

Come possiamo renderci conto che stanno cambiando le proprietà geometriche dello spazio?

Lo scambio di energia tra onde gravitazionali e materia è debolissimo e la precisione richiesta è straordinaria, si parla di modifiche pari a meno di un millesimo del diametro di un singolo protone. Lo strumento perfetto per questa misurazione fisica è l’interferometro di Michelson. Il nostro
fascio di luce parte dalla sorgente, per poi incontrare uno specchio semiriflettente, che divide in due il fascio: una parte viene rifratta, percorre il primo braccio e arriva a un altro specchio, mentre l’altro raggio viene riflesso, percorre il secondo braccio e incontra a sua volta uno specchio.

I due fasci di luce tornano poi indietro alla stessa velocità, sbattono infine contro uno schermo finale in cui si può notare la figura ‘a bande’ dell’interferenza, causata dalla sfasatura dei due fasci. VIRGO è un gigantesco interferometro laser, costato circa 77 milioni di euro, ed è stato progettato e costruito da una collaborazione fra il CNRS francese e dall’INFN italiano. Si trova presso Cascina, una cittadina vicino a Pisa, ora è sottoposto a profondi miglioramenti da parte di una collaborazione internazionale composta da scienziati francesi, italiani, olandesi,
polacchi e ungheresi. Una ricerca che unisce tutto il mondo.

Un esperimento simile, ma di portata molto più grande, sarà LISA. Le misure saranno effettuate da tre satelliti artificiali che gireranno intorno al Sole. La data di lancio è prevista nel 2034.

Com’è fatto VIRGO?

È sostanzialmente una grossa L, i bracci ad ultra-alto vuoto in cui corre il laser ad infrarossi sono lunghi 3 km, grazie ad essi si può misurare il tempo che la luce impiega a fare un viaggio di andata e ritorno tra i due punti.

Al passaggio dell’onda avviene uno sfasamento di lunghezza dei due bracci: un tratto si allunga e l’altro si accorcia e viceversa. Gli specchi che vengono attraversati dal laser sono sospesi e, per evitare il rumore sismico di terremoti e maree, vengono usati dei super attenuatori, figli del famoso pendolo di Galileo.

La scoperta delle onde gravitazionali

Il 14 settembre 2015 VIRGO ed il gemello americano LIGO, attraverso una finestra di 10 millisecondi di differenza, catturarono per la prima volta nella storia un’onda gravitazionale che ha attraversato la Terra. In seguito alle ricerche si scoprì che era stata prodotta nella fase finale di un sistema binario di buchi neri di 29 e 36 masse solari.

I due, prima di fondersi, hanno spiraleggiato in una danza cosmica, per poi scontrarsi alla metà della velocità della luce, emettendo un’onda di 4 masse solari. Nel febbraio 2016 l’annuncio alla comunità scientifica.

La probabilità che ci sia stato un errore è una su 3,5 milioni. Se prima guardavamo l’universo cercando solo i segnali dello spettro elettromagnetico, oggi ci serviamo della meccanica per raccogliere dati, osservando l’invisibile.

Le ricerche svolte ci forniranno informazioni concrete sui primissimi istanti di vita dell’universo e sulla prima grande esplosione, antenata di tutto ciò che ci circonda: il Big Bang.

“Credo che noi due ci conosciamo da sempre, sai perché? Quando c’è stato il Big Bang, tutti gli atomi dell’universo si sono uniti in un minuscolo puntino, che poi è esploso. Quindi i miei atomi e i tuoi atomi erano sicuramente insieme, e chissà, magari si sono uniti diverse volte negli ultimi 13,7 miliardi di anni. I miei atomi conoscono i tuoi atomi, li conoscono sin dall’inizio. I miei atomi hanno sempre amato i tuoi atomi”

I ORIGINS

Siete rimasti colpiti dalla storia di LIGO e VIRGO?