Onde gravitazionali: una tassonomia Understand article

Traduzione a cura di Rocco G. Maltese. Le onde gravitazionali sono state preannunciate da Einstein - ma da dove provengono, e di quanti tipi differenti ve ne potrebbero essere nel cosmo?

La scala delle onde gravitazionali è sia piccola che immensa allo stesso tempo. Nonostante che le pieghe che provocano nello spazio tempo siano così piccole quasi invisibili, le loro lunghezze d’onda sono immense: molto più grandi di qualsiasi altra onda elettromagnetica conosciuta – l’intervallo è compreso dalle onde radio ai raggi-X – utilizzate dagli astronomi per esplorare lo spazio.

Allora cosa sono le onde gravitazionali? Queste pieghe dello spazio-tempo si generano ogni volta che una massa accelera. Tuttavia, le onde gravitazionali che hanno origine  da sorgenti sulla Terra, sono difficili da individuare, poiché gli oggetti che hanno base sulla Terra non sono sufficientemente pesanti e non possiedono una accelerazione  sufficientemente grande. Invece, dobbiamo osservare le sorgenti che si trovano nel cosmo, dove le masse e i movimenti hanno dimensioni astronomiche.

Recentemente, avendo individuate onde gravitazionali prodotte da corpi celesti massicci, è divenuto potenzialmente possibile  utilizzarle come uno strumento ulteriore, per osservare eventi ed oggetti nello spazio – una eccitante prospettiva per gli astronomi moderni.

L’illustrazione mostra il satellite LISA, facente parte di un sistema di rilevamento futuro di onde gravitazionali da mettere in orbita nello spazio
AEI/MM/exozet

Lo spettro delle onde gravitazionali

Come le onde elettromagnetiche, le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce. E come le onde elettromagnetiche, lo spettro delle onde gravitazionali è estremamente grande, con le differenti parti classificate per frequenza. In generale, le frequenze delle onde gravitazionali sono molto più basse di quelle comprese nello spettro delle onde elettromagnetiche (da alcune migliaia di hertz al più, confrontate con frequenze da 1016 a 1019 Hz. dei raggi-X). Di conseguenza, esse possiedono lunghezze d’onda molto più grandi – comprese tra centinaia di chilometri a potenzialmente le dimensioni dell’Universo.

L’intervallo di frequenze dei segnali provocati dalle onde gravitazionali fornisce informazioni sulle fonti che le hanno generate: più bassa è la frequenza, più grande sarà la massa coinvolta. Fornisce anche agli scienziati il tipo di strumento da utilizzare per individuare la sorgente, questo strumento dovrebbe avere le dimensioni paragonabili  alla lunghezza d’onda del segnale. La Figura 1 illustra l’intervallo completo delle onde gravitazionali, con le sorgenti che le producono e la strumentazione necessaria a individuarli a frequenze differenti.

Il gigante interferometro terrestre chiamato LIGO (osservatorio interferometrico gravitazionale a raggio laser) e il Virgo (presentato da Arnaud, 2017) sono stati progettati per captare le onde gravitazionali dell’estremo superiore dello spettro di frequenze, da alcune decine di hertz ad alcuni kilohertz. Inoltre, il progetto LISAw1 (antenna interferometrica spaziale laser) – costituito da un gruppo di interferometri spaziali, è in programma di essere messo in orbita nell’arco di una decina di anni. Utilizzando i principi di un progetto simile agli strumenti terrestri, LISA coprirà le frequenze delle onde gravitazionali nell’intervallo inferiore dello spettro (da 1-10-5 Hz). Onde gravitazionali di bassa frequenza dovrebbero interferire con la precisa regolarità di intermittenza delle pulsar fornendo così un altro mezzo di identificazione, questa volta nell’intervallo da 10-6 a 10-9 Hz. Infine, le onde gravitazionali emesse nell’Universo vicino potrebbero avere lasciato una traccia nella radiazione di fondo nell’intervallo delle microonde. Questo segnale è stato identificato dal satellite Planck, nell’intervallo di frequenza delle onde gravitazionali da 10-15 – 10-17 Hz. Le lunghezze d’onda corrispondenti a queste estremamente basse frequenze dovrebbero essere della stessa dimensione dell’Universo stesso

Figura 1: Lo spettro delle onde gravitazionali.
L’asse orizzontale rappresenta la frequenza (e il periodo dell’onda, che equivale all’inverso della frequenza) su una scala logaritmica, i colori rappresentano le lunghezze d’onda corrispondenti (rosso = più lunghe, blu = più corte). I rilevatori sono quelli esistenti o in progetto, mentre le sorgenti sono quelle conosciute ed esistenti delle quali si pensa che possano produrre  onde gravitazionali rilevabili. Cliccare sull’immagine per ingrandirla. (Adattamento da: https://lisa.nasa.gov)

Sorgenti di onde gravitazionali

Tra la varietà di sorgenti di onde gravitazionali, limitiamoci a tre tipi che producono onde con frequenze comprese nell’intervallo accessibile ai ricevitori terrestri.

Le Supernova

Quando una gigante rossa ha esaurito tutto il suo carburante nucleare, l’equilibrio tra le reazioni nucleari interne (che fanno esplodere la materia all’esterno) e la gravità (che tiene la materia unita) si distrugge. La stella collassa fino a raggiungere una densità del nucleo (pari a circa 1017 kg/m3), che genera un’onda di shock espellendo lo strato esterno della stella. Questo fenomeno è conosciuto come supernova di tipo II, che produce un forte flusso di neutrini oltre ad emissione di luce che perdura per giorni. Viene altresì emesso un fascio di onde gravitazionali, ma queste verranno rilevate solo se l’evento che ha coinvolto la  supernova si trova nella nostra galassia o in prossimità di essa. Tali eventi sono molto rari (alcuni per secolo) ma comunque accadono: la supernova 1987A fu osservata 30 anni fa.

SIstemi binari compatti

Gli oggetti compatti sono stelle che concentrano la loro massa in un inusuale piccolo volume. Gli oggetti più compatti sono i buchi neri: uno di essi che avesse la massa del Sole dovrebbe possedere un diametro di soli 3 Km. Le stelle di neutroni appartengono ad un’altra specie di oggetti compatti: la gravità è così forte che i protoni e gli elettroni si fondono gli uni negli altri, generando neutroni.

Quando due oggetti compatti orbitano uno attorno all’altro, la relatività generale predice che il sistema rallenta perdendo energia ed emettendo onde gravitazionali. Conseguentemente, il loro moto accelera e le stelle si avvicinano maggiormente l’una all’altra. Sebbene questa fase di movimento a spirale può durare centinaia di milioni di anni, si è notato un grande picco di emissione di onde gravitazionali in prossimità della fusione dei due corpi compatti. Le onde gravitazionali di tale evento sono state identificate con successo, per la prima volta nel 2015.

L’illustrazione qui di seguito (sotto) mostra le tracce del primo rilevamento di onda gravitazionale mediante due osservatori LIGO. Queste tracce si allineano con il progredire del processo di fusione del buco nero che produce le onde nelle sue tre fasi (parte superiore dell’immagine): 1 – la fase spiralleggiante, 2 – la fusione, e 3 – la formazione dell’ ”anello”, quando termina la emissione dell’onda gravitazionale.
LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Le Pulsar

Le pulsar sono stelle rotanti di neutroni magnetizzati. Come dei fari cosmici, esse emettono un raggio di onde elettromagnetiche avente una frequenza doppia rispetto al periodo di rotazione (spin) della pulsar, che può essere rilevato dai radiotelescopi se la Terra si trova nella spazzolata di questo raggio. In teoria, le pulsar potrebbero emettere anche onde gravitazionali in modo continuativo, ma la potenza di queste onde dipende dalla forma della stella e da quanto sferica sia la sua superficie – poiché gli oggetti che sono perfettamente simmetrici rispetto al proprio asse di rotazione (come lo sono le sfere) non irradiano nessuna onda gravitazionale. Come altre stelle, anche le pulsar è probabile che siano quasi delle sfere perfette, e il fatto che non siano state rilevate onde gravitazionali provenienti da una qualsiasi pulsar suggerisce che le eventuali irregolarità sulla superficie di tali stelle sono di piccole dimensioni.

Rilevamento delle onde gravitazionali

Individuare e rilevare le onde gravitazionali è un’impresa ardua: ciò significa che la più piccola vibrazione può segnalare che un’onda gravitazionale sta passando in quel momento, immersa completamente nel “rumore” di fondo – generato da tutte le altre sorgenti. Sulla Terra, il network di rilevatori del tipo interferometrico, attualmente è costituito da quattro strumenti: due rilevatori LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Italia e GEO-600 in Germania. Un quinto rilevatore (KAGRA, in Giappone) verrà messo in linea alla fine di questa decade, vi sono altri progetti nella prossima decade per costruire un terzo rilevatore LIGO in India

Nessun rilevatore singolo può affermare di aver rilevato da solo un’onda gravitazionale: essa deve essere rilevata almeno da due rivelatori, altrimenti la frequenza dei falsi allarmi – rilevamenti dovuti al rumore – aumenta notevolmente. Per questa ragione, tutti i dati registrati dal network sono analizzati congiuntamente per identificare i segnali che coincidono nei tempi e che appaiono simili per ciascuno strumento.

Figura 2: Le prime tre onde gravitazionali rilevate (dall’alto) il 14 Settembre 2015, il 26 Dicembre 2015 e il 4 Gennaio 2017, tutte prodotte dalla fusione di buchi neri. nell’apparire tutte queste tracce, il segnale si è costruito lentamente ma è decaduto molto rapidamente una volta che è avvenuta la fusione. L’asse orizzontale è l’asse dei tempi dall’istante in cui si è avvistato il segnale per la prima volta nel rilevatore, mentre sui tre assi verticali sono stati rappresentate le registrazioni delle  piccole distorsioni frazionarie.
The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration
 

Gli avvistamenti delle onde gravitazionali nel 2015(vedi Kwon, 2017) ) e nel 2017w2, generate dalla fusione di due buchi neri (vedi figura 2), hanno aperto una nuova finestra sull’Universo – una nuova era in astronomia. I segnali dell’onda gravitazionale diventano un complemento alle sonde che gli scienziati già utilizzano per osservare il cosmo, compresi i telescopi che esplorano i cieli sfruttando varie parti dello spettro delle onde elettromagnetiche. Le informazioni si scambiano in entrambe i sensi: quando un segnale di una potenziale onda gravitazionale è individuata, si emana un allerta ai telescopi che possono rapidamente osservare la regione nella quale si pensa vi possa essere la sorgente del segnale – per stabilire se è una cosa reale. I telescopi a loro volta possono chiedere alle sonde di onde gravitazionali di cercare la controparte dell’evento che essi pensano di aver individuato.

Adesso è possibile la identificazione di onde elettromagnetiche, particelle e onde gravitazionali dalla stessa sorgente. Più dati della sorgente si avranno a disposizione, e più profonda sarà la comprensione che si ottenerrà

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References

Web References

  • w1 – Per maggiori notizie sul LISA project.
  • w2 – Per saperne di più sulla terza individuazione dell’onda gravitazionale, leggere il sommario nel sito web LIGO website.

Resources

  • Per trovare ulteriori notizie sulla recente individuazione della terza onda gravitazionale:
    • Symmetry, una rivista a cura del Fermilab/SLAC ha pubblicato diversi articoli sulle onde gravitazionali. Puoi cercare nel sito www.symmetrymagazine.org, o leggi
    • Jepsen K (2017) At LIGO, three’s a trend. (Al LIGO vi è un tendenza), sulla rivista Symmetry, 6 Gen.
  • Leggere il materiale che illustra come gli astronomi utilizzano differenti onde elettromagnetiche per studiare il cosmo riportato nella serie “More than meets the eye”, (”Più di quello che vede l’occhio”) in Science in School. Per esempio:

Author(s)

Nicolas Arnaud è un fisico dello staff del Centro Nazionale Francese per la Ricerca Scientifica  (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) in Francia. Dopo aver completato il suo PhD sugli esperimenti Virgo nella fase di costruzione , ha lavorato per una decade nel campo della fisica delle particelle prima di approdare nuovamente al progetto  Virgo nel 2014. Fino al Settembre 2016 ha lavorato all’Osservatorio Gravitazionale Europeo in Italia, nel sito del rivelatore Virgo. Ha collaborato in varie attività educative e differenti approcci sin dal 2003 e sta coordinando queste attività a livello nazionale.


Review

Dopo i recenti ed eccitanti avvistamenti di una terza onda gravitazionale, questo articolo fornisce un’eccellente panoramica di cosa sono le onde gravitazionali, di come sono generate nello spazio e di come funzionano i sensori gravitazionali. E’ un articolo piacevole da leggere, e attuale.

La comprensione di questi argomenti potrebbero comprendere:

  • Cosa sono le onde gravitazionali?
  • Perché è così difficile individuare le onde gravitazionali?
  • Su quale principio funzionano i sensori di onde gravitazionali?
  • Descrivere lo spettro gravitazionale, e discutere sulla differenza con quello delle onde elettromagnetiche.
  • Quale oggetto dello spazio può generare un’onda gravitazionale? Descrivere tali oggetti.
  • Perchè per individuare un’onda gravitazionale sono necessari un minimo di due sensori.  Perchè?
  • Vi sono diversi sensori che operano sulla Terra. Quali sono i loro nomi e in che luogo sono collocati?

Gerd Vogt, insegnante di fisica, nella Scuola Secondaria Superiore per l’Ambiente e l’Economia, Austria




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