Accendere il microfono cosmico Understand article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Un nuovo strumento permette agli astronomi di 'ascoltare' per la prima volta l'Universo.

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concessa da Grant / Flickr
and ESA / C Carrea

Il mattino del 14 Settembre 2015, un segnale proveniente da un buco nero che aveva subito una collisione 1.3 miliardi di anni fa, ha raggiunto la Terra, mettendo in allarme gli scienziati in tutto il mondo. “c’è voluta buona parte di una giornata per convincerci che quello a cui stavamo assistendo non fosse una esercitazione”, dice la Prof.ssa Gabriela Gonzales. In fatti era la prima volta che si individuava un’onda gravitazionale e rappresentava l’ultimo ritrovato nella lunga storia dell’astronomia.

Quando nel 1600 Galileo introdusse per primo il telescopio, gli astronomi poterono vedere parte dell’Universo invisibile a occhio nudo. Questo condusse a secoli di scoperte – mentre il telescopio si evolveva, si potevano vedere nuovi pianeti, galassie e intravedere i primi istanti dell’Universo. Nel 2015, gli scienziati ottennero un altro strumento di immenso valore: la possibilità di ‘sentire’ il cosmo attraverso le onde gravitazionali.

Pieghe dello spazio-tempo

Newton descrisse la gravità come una forza. Vedere la gravità in questo modo può spiegare la maggior parte dei fenomeni che succedono sulla Terra. Per esempio, la forza di gravità che agisce su una mela ne causa la sua caduta da un albero su una persona insospettabile seduta sotto di esso. Tuttavia, per capire la gravità su scala cosmica, dobbiamo rivolgerci ad Einstein, che ha descritto la gravità come la modifica dello spazio-tempo. 

Alcuni fisici descrivono questo processo mediante una palla da bowling su un tappeto. Immaginiamo lo spaziotempo come un tappeto. Una palla da bowling piazzata nel centro del tappeto si modifica in prossimità della palla. Più l’oggetto è pesante e più affonderà, producendo una piega, come la l’onda provocata da una barca che scivola sull’acqua.

Impressione artistica delle onde gravitazionali generata da una stella di neutroni binaria.
Immagine cortesemente concessa da Penn State; fonte dell’immagine: Flickr
 

“La curvatura è quello che tiene in orbita la Terra attorno al Sole – il Sole è la palla da bowling sul tappeto e la sua piega è quello che causa alla Terra di orbitare attorno ad esso”, spiega González, che è la portavoce della collaborazione dell’Osservatorio dell’Interferometro Laser Gravitazionale (LIGO).

Qualsiasi oggetto che possiede massa – pianeti, stelle e le persone – sollecitano il tappeto dello spazio-tempo e producono onde gravitazionali. Queste onde ci passano sopra in ogni istante, ma sono troppo deboli per essere individuate.

Per trovare questi segnali elusivi, i fisici hanno costruito LIGO, con osservatori gemelli in Louisiana e a Washington, USA. Ad ogni rivelatore a forma di L un raggio laser è suddiviso in due raggi che sono fatti viaggiare su due braccia lunghi 4 km. I raggi sono riflessi da degli specchi posti alle estremità di ciascun braccio e si riuniscono dopo essere stati riflessi. Il passaggio di un’onda gravitazionale può alterare la lunghezza relativa dei bracci, modificando il percorso di uno dei raggi laser, creando una variazione che i fisici possano individuare.

Diversamente dai telescopi, che sono puntati verso una specifica porzione di cielo, i rivelatori come il LIGO spaziano su di un’area dell’Universo molto più vasta e sentono le sorgenti provenienti da ogni direzione. “I rivelatori di onde gravitazionali sono come dei microfoni”, dice Laura Nuttall, una ricercatrice nel suo periodo di post-dottorato all’Università di Syracuse, USA.

Il primo avvistamento

In quel mattino di Settembre del 2015, quando la prima onda gravitazionale passava attraverso due rivelatori, LIGO che stavano ancora per essere preparati per una osservazione. Gli scienziati preparavano i test e i le diagnostiche per tutto il giorno – questo perché avrebbero avuto bisogno di condurre un gran numero di verifiche e di analisi per essere sicuri che i segnali fossero reali.

Mesi più tardi, una volta che gli scienziati avevano verificato meticolosamente i dati per errori o rumore (come la caduta di fulmini o un terremoto), la Collaborazione LIGO annunciava al mondo che finalmente avevano raggiunto l’obiettivo lungamente preannunciato: quasi 100 anni dopo che Einstein  predisse l’esistenza delle onde gravitazionali, gli scienziati le hanno individuate.

Alcuni mesi dopo l’arrivo del segnale, LIGO ha individuato un’altra collisione tra buchi neri. “Aver trovato un secondo evento dimostra che vi era una popolazione di sorgenti che producevano onde gravitazionali rilevabili”, dice Nuttall. “Per ora siamo un osservatorio.”

Vista aerea del rivelatore di one gravitazionali LIGO a Livingstone, Louisiana
Immagine cortesemente concessa da LIGO / Penn State; fonte dell’immagine: Flickr

Microfoni cosmici

Molti duplicarono l’individuazione come se fossimo all’inizio dell’era dell’astronomia delle onde gravitazionali. Gli scienziati si aspettano di vedere centinaia, e persino migliaia, di questi buchi neri binari negli a venire. I rivelatori di onde gravitazionali permetteranno agli astronomi di osservare molto più da vicino altri fenomeni astronomici, come stelle di neutroni, supernovae e persino il Big Bang.

Un prossimo importante passo è quello di individuare la controparte ottica – cioè la luce proveniente dalla materia che sta loro attorno, o una scarica di raggi gamma – delle sorgenti di onde gravitazionali. Per fare ciò, gli astronomi hanno bisogno di puntare i loro telescopi in un’area del cielo da cui provengono le onde gravitazionali per poter vedere una qualsiasi luce visibile.

Per il momento, questo è come cercare un ago in un pagliaio. Poiché il campo della visuale di osservazione dei rivelatori di onde gravitazionali è molto molto più grande di quello dei telescopi, è estremamente difficile collegare i due campi. “Collegare le onde gravitazionali alla luce sarà per la prima volta una così grande scoperta che varrà la pena di essere stata perseguita con ogni sforzo”, dice Edo Berger, un professore di astronomia della Università di Harvard. 

LIGO è uno dei diversi osservatori di onde gravitazionali. Altri osservatori terrestri, come il Virgo in Italia, KAGRA in Giappone e un prossimo LIGO in India hanno una sensibilità simile a quella del LIGO. Vi sono anche altri approcci che gli scienziati stanno utilizzando o che pianificano di utilizzare peri futuro – per individuare onde gravitazionali di frequenze completamente differenti.

Una simulazione della fusione di due buchi neri e la risultante emissione di una radiazione gravitazionale
Immagine cortesemente concessa da NASA / C Henze
 

L’antenna Spaziale dell’interferometro Laser (eLISA), per esempio, è un dispositivo per la rilevazione di onde gravitazionali che i fisici pianificano di costruire nello spazio. Una volta completato, eLISA sarà composto da tre navicelle spaziali distanti tra loro un milione di km, che le rende capaci di individuare onde gravitazionali di frequenza molto più bassa, dove gli scienziati si aspettano di individuare buchi neri molto più massicci.

La matrice di sincronizzazione di pulsar è un metodo di individuazione completamente differente. Le pulsar sono dei cronometri naturali, che emettono regolarmente raggi di radiazioni elettromagnetiche. Gli astronomi possono registrare in modo accurato l’istante di arrivo degli impulsi per cercare delle discrepanze, poiché il passaggio di un onda gravitazione distorce lo spazio tempo, facendo variare l’stante di arrivo degli impulsi, anticipando o ritardando. Questo metodo è sensibile anche a basse frequenze come lo è eLISA.

Questi e molti altri osservatori riveleranno un nuovo modo di osservare l’Universo, aiutando gli scienziati a studiare fenomeni come quello della fusione di due buchi neri, per verificare la teoria della gravità e possibilmente persino di scoprire qualcosa di completamente inaspettato, dice Daniel Hoz, a professore di fisica e astronomia all’Università di Chicago. “Normalmente nelle scienze spingi i confini un poco alla volta, ma in questo caso, stiamo aprendo una frontiera interamente nuova.

Riconoscimenti

Questo artico è stato riprodotto per gentile concessione della rivista Symmetryw1, inella quale è stato originalmente pubblicato.

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Web References

  • w1 – Symmetry magazine è una pubblicazione online che si occupa di fisica delle particelle elementari. È pubblicata assieme al Laboratorio Nazionale dell’Acceleratore Fermi e allo Laboratorio Nazionale dell’acceleratore SLAC.

Author(s)

Diana è una giornalista scientifica freelance residente a Berlino, Germania. Il suo lavoro è apparso sia sulla stampa che on-line in numerose riviste incluse Scientific American, Quartz e New Scientist.


Review

Grande notizia per tutti noi – fopo anni di ricerca delle onde gravitazionali, gli scienziati le hanno finalmente individuate. Questo articolo rappresenta una buona lettura per gli insegnanti di Fisica e di Scienze. Può essere utilizzata come argomento di discussione in classe, focalizzandosi principalmente sul problema associato all’individuazione delle onde gravitazionali, ma ancora più importante nelle applicazioni nella vita di tutti i giorni.


Paul Xuereb, Malta




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