venerdì 12 febbraio 2016

Le onde gravitazionali non sono più un mistero

Ieri l'annuncio tanto atteso, dato dagli scienziati che da anni lavorano e collaborano con due esperimenti ai due lati dell'Atlantico: LIGO, negli Stati Uniti, con due interferometri situati uno in Louisiana e uno nello Stato di Washington, e VIRGO, in Italia a Cascina, vicino Pisa. Le onde gravitazionali sono state rilevate per la prima volta in modo diretto con un livello di significatività di 5.1, ovvero con un altissimo grado di certezza. Si tratta di una scoperta sensazionale che in futuro potrebbe aprire nuovi e imprevedibili scenari nel campo della ricerca scientifica. 

- L'articolo che annuncia la scoperta su Physical Review Letters -

Esattamente un secolo fa

Le onde gravitazionali fanno parte di quei fenomeni che fanno impazzire i fisici che si cimentano nella loro ricerca. Si tratta infatti di oggetti piccolissimi e silenziosi, che fluttuano per l'intero Universo, difficilissimi da rilevare. Albert Einstein le aveva previste esattamente un secolo fa. L'intuizione nasce durante il 1915 e viene pubblicata nell'anno successivo nel celebre articolo riguardante la teoria della relatività generale. L'idea di Einstein era puramente teorica e formalizzata tramite il linguaggio matematico. Da allora, la teoria della relatività generale ha avuto moltissime conferme sperimentali ma ne è sempre mancata una all'appello: la prova sperimentale dell'esistenza delle onde gravitazionali.

Queste misteriose onde




Le onde gravitazionali sono delle deformazioni della struttura dello spazio-tempo dovute alle accelerazioni delle masse presenti. La forma dello spazio-tempo è dovuta alla distribuzione di tutti gli oggetti con massa presenti nell'intero Universo e al loro moto. Immaginiamo lo spazio-tempo come un enorme tessuto elastico. Ciascun oggetto posato su questo tappeto produce una deformazione dovuta al proprio peso. Tanto più l'oggetto è pesante, tanto più la deformazione sarà maggiore. Se poi invece di un oggetto statico ci mettiamo noi su di un tappeto elastico e ci mettiamo a saltare, allora non solo produciamo una deformazione del tessuto a noi sottostante, ma vediamo lungo di esso il propagarsi di onde che, partendo dal punto di contatto tra noi e il tappeto, si muovono in ogni direzione, contraendo o dilatando lo spazio che prima appariva piatto. Le onde gravitazionali sono dunque generate da tutti i corpi, piccoli o grandi che siano, che abbiano una certa massa e una certa accelerazione. Anche noi stessi mentre ci muoviamo generiamo delle onde gravitazionali che modificano la struttura dello spazio-tempo. Il problema è che le onde da noi generate sono talmente piccole che è impossibile accorgerci delle mutazioni che producono. Si stima che un'onda gravitazionale quando incontra un corpo lo deformi di circa 10^-21 metri per ogni metro. Un effetto piccolissimo e dunque difficilissimo da misurare. Questo è stato il principale problema dei ricercatori che, a partire dagli anni '60, si sono cimentati in vari sistemi sperimentali alla ricerca delle onde gravitazionali. 


Se due buchi neri si fondono tra loro



Se le onde gravitazionali sono così piccole e impercettibili allora per avere qualche possibilità di rilevarle c'è bisogno di un evento straordinario, che produca un'energia enorme. E questo evento è arrivato. Circa 1,3 miliardi di anni fa, due buchi neri massivi - regioni dello spazio-tempo con campi gravitazionali ultra intensi generati dal collasso di stelle giganti - si sono progressivamente attratti fino a fondersi in un unico buco nero di massa 62 volte maggiore quella del Sole. Questa gigantesca collisione ha provocato un sussulto che ha cominciato a propagarsi per l'intero Universo, arrivando dopo oltre un miliardo di anni fino a noi: le increspature nella struttura dello spazio-tempo chiamate onde gravitazionali. 

La scoperta  



Gli scienziati a lavoro negli esperimenti LIGO e VIRGO da anni aspettavano il verificarsi di un evento del genere e per rilevarlo avevano progettato sofisticate apparecchiature in funzione da anni. I due interferometri di LIGO che hanno rilevato le onde gravitazionali sono costituiti da due tunnel ciascuno lungo 4 Km e perpendicolari tra loro. Un unico fascio di luce laser viene suddiviso in due fasci, ciascuno dei quali immesso in un tunnel. Dopo aver percorso avanti e indietro la lunghezza dei tunnel - un tragitto molto più lungo di 4 Km in quanto la luce viene continuamente riflessa da specchi posti lungo il percorso - i due fasci di luce vengono ricombinati tra loro. Se la lunghezza percorsa è la stessa, allora i due fasci si ricombinano in modo che le due onde si annullino tra loro, dunque ciò che si vede è un segnale piatto. Ma se invece un'onda gravitazionale come quella prodotta dalla fusione dei due buchi neri attraversa l'interferometro allora modifica la lunghezza dei suoi bracci. In particolare, se dilata la lunghezza di uno allora contrae la lunghezza dell'altro. Ciò significa che i due fasci di luce percorreranno distanze diverse e dunque, quando si ricombineranno, daranno origine a un fenomeno di interferenza. Proprio questa interferenza è ciò che hanno misurato gli scienziati a lavoro con LIGO e proprio questa è la prova diretta delle onde gravitazionali. 


Il futuro 

La conferma dell'esistenza delle onde gravitazionali e la possibilità di rilevarle aprono prospettive inimmaginabili per il futuro della ricerca scientifica e per la nostra comprensione dell'Universo. L'astrofisico italiano Amedeo Balbi ha così commentato a caldo la scoperta: "Ogni volta che abbiamo trovato un nuovo modo per osservare l'universo, abbiamo scoperto cose impreviste. Il bello deve ancora venire". Mentre il celebre fisico britannico Stephen Hawking, in un'intervista al quotidiano Repubblica, dice: "Oltre a provare la teoria della relatività generale, possiamo aspettarci di vedere i buchi neri nel corso della storia dell'universo. Potremmo addirittura vedere le vestigia dell'universo primordiale, durante il Big Bang" E' proprio vero, il bello deve ancora venire. Le meraviglie della scienza non finiscono mai. 

2 commenti:

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"Eppur si muove" di Giorgio Sestili è distribuito con Licenza Creative Commons Attribuzione - Non commerciale - Non opere derivate 4.0 Internazionale.