Alla ricerca delle onde gravitazionali

Galileo e la caduta dei gravi, Luigi Catani 1816

Quando Galileo fece i suoi famosi esperimenti dalla torre di Pisa e dedusse che i corpi cadono tutti con la stessa accelerazione scoprì un aspetto fondamentale di questa cosa elusiva e insieme fondamentale che è la forza di gravità. Einstein, invece, intuì che un corpo come una stella deforma, con la sua massa,  lo spazio-tempo, allo stesso modo che fa una biglia su un telo teso. La gravità, o meglio l'interazione gravitazionale,  è quella forza attrattiva che si esercita tra oggetti nello spazio che possiedono una massa. Notoriamente il mediatore di questa interazione gravitazionale è il gravitone ma ancora più notorio è il fatto che questa particella non è stata ancora isolata.

In sostanza, l'esistenza stessa di un universo con migliaia di galassie e miliardi di stelle si deve all'interazione gravitazionale. Ma come si trasmette questa interazione gravitazionale tra i corpi dotati di massa? Einstein comprese che, in maniera simile a quello che accade con le onde elettromagnetiche, l'interazione gravitazionale si trasmette attraverso onde gravitazionali, che si muovono alla velocità della luce.

credit astrosurf

Un ottimo laboratorio per osservare l'effetto delle onde gravitazionali è la stessa Terra. La reciproca attrazione gravitazionale che si esercita tra Terra e Sole non è uguale in tutti i punti della Terra. In quei punti più vicini al Sole è più forte rispetto a quelli più lontani e inoltre, vi è differenza anche tra punti distanti tra loro per le diverse direzioni con cui puntano verso il centro della nostra stella. Queste differenze producono increspature sulla superficie del nostro pianeta che si manifestano sotto forma di marea. Lo stesso effetto, più intenso, è esercitato dal nostro satellite, la Luna. Le maree sono dunque un effetto osservabile dell'esistenza di questa interazione gravitazionale tra corpi dotati di massa. Le onde gravitazionali trasmettono l'interazione tra le particelle dei due corpi che interagiscono.

lisa - credit nikhef

LISA

Gli scienziati vogliono misurare queste onde gravitazionali. A questo scopo, Nasa ed Esa hanno approntato una missione spaziale il cui acronimo è LISA, cioè: Laser Interferometer Space Antenna.

LISA è formato da 3 satelliti che orbitano intorno al Sole. Questi 3 satelliti occupano i 3 vertici di un triangolo equilatero con i lati di circa 5 milioni di chilometri. Questi tre satelliti ruotano intorno al Sole  con un periodo di rivoluzione di un anno. In ogni satellite vi sono 2 blocchi di oro e platino con lato di 5 centimetri e con una massa di due chili ognuna, ed è proprio dalla misurazione dell'interazione tra questi blocchi sui satelliti che dipende il rilevamento delle onde gravitazionali. Affinchè non vi sia nessun altra influenza che quella delle onde gravitazionali, questi blocchi di oro e platino non sono mai a contatto con le pareti del satellite, ma fluttuano liberi. Lo scopo è di registrare l'influenza delle onde gravitazionali su queste masse, utilizzando un laser montato su ogni satellite, che invia un fascio laser alle masse di oro e platino e, sfruttando l'effetto Doppler, misura lo spostamento della frequenza del fascio di ritorno,  imputabile alla variazione di velocità dovuta alle onde gravitazionali. La sensibilità, a quelle distanze, arriva a variazioni della velocità dell'ordine di 10-12 chilometri orari.

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I corpi invisibili

Quasi tutte le stelle della nostra galassia, la Via Lattea, orbitano intorno a un oggetto di grande massa  ma  invisibile alla nostra osservazione diretta. Possiamo solo ipotizzarne la presenza  e dedurne la massa, che è all'incirca 4 milioni di volte quella della nostra stella. Inoltre, spesso capita che le galassie  vengano a trovarsi a una distanza tale che questi corpi invisibili, con tutta probabilità buchi neri, iniziano ad interagire dando vita a quello che si chiama un sistema binario. Questi sistemi binari sono una fonte di onde gravitazionali di grande intensità. Soprattutto se si pensa al loro destino  che, a causa del movimento delle galassie, sovente è quello di collassare uno verso l'altro in una traiettoria a spirale e generare onde gravitazionali di eccezionale intensità. Queste onde, se generate da masse dell'ordine tra 10 mila e 100 milioni quelle del Sole, dovunque si trovino sono rilevabili da LISA.

Ora, bisogna considerare che rilevare le onde provenienti da corpi così lontani nello spazio significa, allo stesso tempo, andare indietro nel tempo, a causa della velocità finita della luce. In questo modo, LISA potrebbe ricostruire la storia dell'Universo rilevando questo concerto di onde provenienti dallo spazio e dal tempo remoti, una storia basata sulla formazione di masse così concentrate come sono i buchi neri.

Questi buchi neri sono oggetti veramente voraci, capaci di inghiottire senza problemi stelle o piccoli buchi neri abbastanza vicini in più, grazie alla loro enorme forza di gravità, sono in grado di generare delle profonde distorsioni marea su quelle stesse stelle vicine. Un'altra caratteristica specifica dei buchi neri è in grado di fornire informazioni. C'è un confine, detto orizzonte degli eventi, rispetto al quale tutti i segnali provenienti dal buco nero sono bloccati. Tutto ciò che si trova all'interno dell'orizzonte degli eventi (una sorta di sfera di influenza prossimale che circonda il buco nero) non esce più. In questo modo, seguendo un oggetto come un piccolo buco nero che precipita su un buco nero più massiccio, dalle informazioni provenienti lungo questo tragitto fino alla scomparsa di ogni segnale, una volta attraversato l'orizzonte degli eventi, si sarà in grado sia di ricostruire una mappa  delle onde gravitazionali e dimostrare che questi oggetti invisibili sono buchi neri.

radiazione cosmica di fondo

Cosmologia gravitazionale

Una scoperta fondamentale degli ultimi anni è la probabile accelerazione dell'espansione dell'universo, imputabile a una qualche energia oscura. Riuscire a misurare questa espansione è di vitale importanza per comprendere la storia e il destino dell'universo. Il rilevamento delle onde gravitazionali non è in grado di fornire la misura della velocità di fuga delle galassie però può determinare con buona approssimazione la distanza di queste galassie da noi.

Lo studio della cosmologia gravitazionale potrebbe rivelarsi fondamentale per comprendere molti fenomeni tuttora sconosciuti. Per esempio, il fondo cosmico di microonde è una radiazione che pervade tutto l'universo e che rappresenta una sorta di reperto fossile del Big Bang. Dopo circa 380 mila anni dal Big Bang l'universo è diventato trasparente alle radiazioni e ha cominciato a emettere questo  fondo cosmico, inizialmente a una temperatura di circa 3000 °C, temperatura che poi è scesa parecchio durante l'espansione dell'universo fino agli attuali -270 °C. Però, durante  tutta la sua vita, l'universo è stato trasparente alle onde gravitazionali e questo rende LISA potenzialmente in grado di rilevare anche quelle emesse 10-18 secondi dopo il Big Bang, quando l'estensione dell'universo era di circa 1 millimetro e la sua temperatura di  10 milioni di miliardi di gradi.

Anche i modelli che si basano sulla teoria delle stringhe potrebbero giovarsi di queste osservazioni di LISA. Questi modelli prevedono che oggetti chiamati superstringhe cosmiche vengano stirati durante l'espansione dell'universo, emettendo onde gravitazionali caratteristiche: se dovessero essere rilevate sarebbe una prova della validità di questi modelli e dell'esistenza delle stringhe.

Grandi aspettative dalle prossime missioni spaziali, tra cui appunto LISA, missione che vede la partecipazione di Nasa, Esa e altre agenzie spaziali europee tra le quali quella italiana (Asi). Tanto importante, che si è pensato addirittura ad un'altra missione, chiamata LISA Pathfinder, che si occupasse di seguire quella principale, controllandone il corretto svolgimento.

Questo articolo partecipa al Carnevale della Fisica # 19 che si tiene su IncredibleButTrue.