Onde gravitazionali, l'umanità ha un "nuovo senso" per svelare i segreti delle stelle

Vediamo con gli occhi perché sono sensibili alla luce, ovvero alle onde elettromagnetiche. Sentiamo con le orecchie perché sono sensibili alle onde sonore. Annusiamo con il naso perché i sensori al suo interno reagiscono a determinate molecole presenti nell’aria. E così via. Per scoprire i segreti dell’Universo, però, l’unico dei cinque sensi che ci è utile è la vista.

Le stelle emettono luce, altri corpi celesti la riflettono, e questa viene percepita da tutti noi che alziamo gli occhi al cielo. Non ci sono sapori, odori o onde sonore che si propagano nel vuoto interstellare. Poi ci si è messo l’ingegno umano: il primo cannocchiale puntato verso la luna da Galileo non fu solo una rivoluzione perché consentì di guardare i dettagli del cielo come mai eravamo riusciti prima, ma perché spalancò la strada all’idea che potessimo costruire strumenti in grado di potenziare la nostra vista e consentirci di vedere cose che con i soli occhi non riusciremmo a vedere.

Non ci siamo certo fermati a Galileo. Oggi, infatti, esistono esperimenti e telescopi sparsi per il mondo e per lo spazio che sono sensibili a lunghezze d’onda impercettibili all’occhio umano, come i raggi x, gli ultravioletti o gli infrarossi. Da circa un lustro stiamo assistendo ad una nuova rivoluzione per certi versi paragonabile a quella del primo cannocchiale galileiano. È come se avessimo un nuovo senso a nostra disposizione per osservare il cosmo: l’umanità è diventata sensibile alle onde gravitazionali. Nel 2016, infatti, gli esperimenti LIGO negli Stati Uniti e VIRGO a Cascina vicino Pisa hanno annunciato al mondo di essere riusciti per la prima volta a misurare con precisione un’onda gravitazionale che ha attraversato la Terra il 14 Settembre 2015 alle 11:50 italiane. Da quel giorno abbiamo “visto” una cinquantina di onde gravitazionali prodotte da scontri di buchi neri e stelle di neutroni (ne abbiamo brevemente parlato anche qui).

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Ma cosa sono queste onde gravitazionali? Avete presente quella storia, che forse avrete studiato a scuola, secondo cui le masse curvano lo spazio-tempo? Ecco questo lo proveremo a spiegare in dettaglio in un prossimo articolo, per ora prendetelo per buono, e provate ad immaginare un oggetto galleggiante sulla superficie del mare in un giorno di bonaccia. Se muoviamo questo oggetto, esso modificherà la forma della superficie dell'acqua creando delle onde. Bene. Ora pensate più in grande: oggetti molto massivi che si muovono sono in grado di produrre onde e increspature simili a quelle del nostro oggetto nell’acqua, solo che lo fanno nello spazio-tempo stesso. La differenza concettuale importante tra le onde gravitazionali e le onde a cui siamo abituati noi è che quest’ultime necessitano di qualcosa in cui propagarsi: le onde del nostro esempio si propagano nell’acqua, le onde sonore nell’aria, le onde elettromagnetiche, come la luce, possono anche propagarsi nel vuoto, cioè in uno spazio che non contiene materia ma che è comunque spazio. Le onde gravitazionali, invece, sono modifiche dello spazio-tempo stesso. Lo spazio-tempo, infatti, non è qualcosa di fisso e statico in cui gli oggetti esistono e si muovono. Ma reagisce in maniera dinamica alla presenza e al movimento di masse modificandosi, curvandosi o increspandosi. E queste increspature possono propagarsi sotto forma di onde gravitazionali.

L’esempio degli oggetti nell’acqua non ci aiuta solo ad avere una visualizzazione intuitiva di un’onda gravitazionale, ma ci consente di capire perché essere sensibili alle onde gravitazionali può essere importante per la conoscenza dell’Universo. Oggetti e movimenti diversi, infatti, producono sull’acqua forme d’onda diverse: fronti d’onda perfettamente sferici per un sasso lanciato nel mare, sferici ma con ampiezze variabili se faccio cerchi con un rametto, asimmetrici ed irregolari se faccio oscillare quel rametto mentre lo giro in cerchio nell’acqua. Lo stesso succede per le onde gravitazionali. Le caratteristiche degli oggetti che producono l’onda gravitazionale che viene osservata sono stampate nella forma dell’onda stessa. Nel caso della prima osservazione del 2015, battezzata con il nome di GW150914 (Gravitational Wave 2015-09-14), la forma dell’onda osservata conteneva le firme di due buchi neri, di 36 e 29 masse solari circa, e della loro lunga danza di corteggiamento durata milioni di anni fino allo scontro che ha dato vita ad un solo buco nero di circa 63 volte la massa del Sole. La differenza di energia tra la somma delle masse dei buchi neri genitori e di quella del figlio è stata emessa sotto forma di onde gravitazionali che sono giunte fino alla Terra dopo un viaggio di migliaia di miliardi di miliardi di chilometri alla velocità della luce—sì, le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce—. Oggetti diversi e danze diverse lasciano firme diverse. Ci sono caratteristiche specifiche di oggetti celesti come buchi neri e stelle di neutroni che non siamo stati per ora in grado di discernere e identificare esattamente con gli altri metodi di osservazione. Le precise firme lasciate da tali caratteristiche nelle onde gravitazionali consentiranno di svelare segreti sulle caratteristiche interne della stelle di neutroni o sulla struttura dello spazio-tempo molto vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero, molto più vicino di quanto non abbia fatto la prima “foto” di un buco nero (ne abbiamo parlato qui). Ancora, avremo nuove conferme o sorprese sulla validità della relatività generale in situazioni estreme, irraggiungibili in altri modi. Spoiler: per ora la relatività ha passato a pieni voti tutti i test fatti con questa quarantina di osservazioni.

By NASA/JPL - http://lisa.jpl.nasa.gov/popups/ripples.html http://lisa.jpl.nasa.gov/IMAGES/wavy.gif, Public Domain, Link

È di meno di un mese fa, per esempio, l’annuncio dell’osservazione di un’onda gravitazionale proveniente dalla danza e unione di un buco nero con un oggetto misterioso con una massa di 2,6 volte quella del Sole. La stella di neutroni più pesante mai osservata pesa 2,5 volte il Sole; il buco nero più leggero mai osservato pesa 5 volte il Sole. Tra questi due valori di masse non era mai stato osservato nulla, si pensava addirittura non esistessero corpi celesti in questo “mass gap”, come si dice in gergo. Ora sappiamo esistono, ma non sappiamo ancora cosa siano. Se fosse una stella di neutroni, dovremmo modificare il modo in cui descriviamo questi oggetti affascinanti. Se fosse un buco nero dovremmo modificare la nostra conoscenza della vita, morte e collasso delle stelle. O magari sono nuovi corpi celesti, ibridi dei quali ignoravamo l’esistenza. L’umanità ha un nuovo senso che verrà affinato nei prossimi anni e che ci darà grandi soddisfazioni, proprio come dopo quel primo cannocchiale puntato verso il cielo dal genio di Galileo.

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