Il peso delle onde gravitazionali

Ne ha parlato chiunque: conduttori televisivi, giornali, programmi radiofonici, la Giannini, persino tua nonna! E' stata una festa che ha coinvolto tutti in un'euforia generale che purtroppo scomparirà con lo stesso impeto con cui ci ha travolto.

Perché le mode sono passeggere, i trend cambiano con una velocità incredibile e poche persone che si sono riempite la bocca con la curvatura dello spazio tempo e la teoria della relatività si appassioneranno davvero alla fisica. Ma questo è normale, è questa la società che ci culla e schiaffeggia con uguale vigore.

Ma noi non vogliamo passare per delle simpatiche pecorelle in fila per diventare degli arrosticini, noi gli arrosticini li vogliamo mangiare.

Indi per cui cominciamo col porci delle domande, e magari trovare qualche risposta.

Cosa c'entra Einstein?

Domanda lecita, quel mattacchione lungimirante la sapeva davvero lunga. Nel suo Annus Mirabilis, assieme agli studi sull'effetto foto elettrico (che gli valsero il Nobel) e sul moto Browniano, pubblicò la teoria della relatività ristretta (introducendo la relazione tra materia ed energia) per poi partorire, dieci anni dopo, la teoria della relatività generale.

Non mi cimento minimamente in una spiegazione che risulterebbe lacunosa e svilente, ma ti racconto quello che ci serve per proseguire.

Alberto dipinge un universo in cui spazio e tempo sono intimamente legati a formarne la trama, un'enorme ragnatela chi ci sorregge tutti. La ragnatela però non è rigida, è flessibile ed elastica: i corpi pesanti che vi sono "adagiati" ne curvano la superficie, deformandola.

In questo modo è possibile spiegare, ad esempio, perché la Terra graviti attorno al Sole: ci troviamo nella deformazione spazio-temporale della stella (che ha una massa più grande rispetto alla nostra) e corriamo sul pendio per non cadere. A sua volta il pianeta azzurro deforma lo spazio-tempo costringendo la Luna e venirci a salutare ogni notte. E' questa l'idea rivoluzionaria: a differenza di quello che si pensava dopo Newton, la forza gravitazionale non è più un'azione a distanza fra corpi massivi, ma effetto di una legge fisica che lega la curvatura dello spazio-tempo alla distribuzione di energia e massa.

La materia dice allo spaziotempo come incurvarsi, e lo spazio curvo dice alla materia come muoversi

John Wheeler

Questo implica che, come abbiamo appurato per campo elettrico e magnetico, esiste un campo gravitazionale indipendentemente da un secondo corpo che sperimenti la forza, proprio perché la deformazione esiste unicamente a causa della massa che la genera. Mi rendo conto che il concetto non è facile da digerire Billy, in generale i campi delle forze sono concetti sfuggenti che si riescono ad apprezzare appieno solo dopo studi specifici: in questo caso però sei fortunato, perché hai un'idea visiva di quello che ti ho appena detto (nell'immagine sopra).

Per Newton un corpo dotato di massa se ne sta tranquillo nello spazio, in quiete o con velocità costante (principio di inerzia). L'interazione nasce solo quando si palesa un nuovo oggetto massivo, e allora comincia il tiro alla fune.

Albertone dice: "Ma che stai a dì?" e ci spiega che in realtà già il primo corpo da solo curva lo spazio tempo e genera un campo gravitazionale, proprio come un corpo carico fa con il campo elettrico.

Cosa sono le onde gravitazionali?

Dovresti esserti almeno chiesto perché sottolineo così tanto l'argomento campo. Perché si basa tutto su questo. Ci arriviamo, tranquillo.

Immagina una superficie di un laghetto indisturbato: arriva il Billy di turno e ci getta un sasso. Cosa succede?

Si genera un'onda di pressione che si propaga sulla superficie, generando quella che tutti definiamo appunto un'onda. Allo stesso modo sappiamo che muovendo una carica è possibile generare un'onda elettromagnetica, proprio come avviene nelle antenne: una deformazione del campo (elettro-magnetico in questo caso) si propaga nello spazio.

Cominci a capire quindi perchè delle onde gravitazionali sono coerenti con la teoria della relatività generale: corpi massivi che si muovono, si scontrano o esplodono danno vita a queste fantastiche onde; persino con il movimento delle mie dita sulla tastiera in questo momento sto irradiando il cosmo di onde gravitazionali. Teoricamente, perché per far sì che un tipo di onda del genere sia apprezzabile a generarla dev'essere un corpo la cui massa è fuori da ogni terrestre concezione: buchi neri, stelle di neutroni o esplosioni di supernove.

Queste onde si propagano come increspature dello spazio-tempo di Albertone, modificando la distanza spaziotemporale di due punti vicini, facendola oscillare: allungano ed accorciano le dimensioni spaziali.

Come si misurano?

Non possiamo usare il metro, questo è sicuro: gli estremi dello strumento varierebbero assieme a tutte le altre dimensioni, per cui non ci accorgeremmo di nulla. Quindi? Ci serve un interferometro.

In sintesi: dividendo un fascio di luce a metà (come se potessimo tagliarlo con un coltello), facendo compiere alle due parti un percorso di lunghezza diversa e facendo ricongiungere i due fasci in un punto (con uno specchio facciamo tornare indietro i fasci) è possibile, dall'immagine risultante, avere informazioni sul percorso stesso (ovviamente dipende a cosa siamo interessati, non fare il pignolo che ti prendo a schiaffi).

Poichè un'onda gravitazionale passante deforma lo spazio-tempo ed allunga leggermente un percorso rispetto all'altro, è possibile "leggere" queste piccolissime deformazioni. L'osservatorio statunitense LIGO (acronimo di Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ad esempio è composto da due lunghi tunnel vuoti di 4km ciascuno (quattro chilometri) disposti perpendicolarmente.
VIRGO, da "soli" tre chilometri, è invece tutto italiano e si trova a Cascina (PI).

Nonostante le grandezze mostruose, le vibrazioni più forti previste sono dell'ordine di 10^-18 metri (il raggio atomico dell'idrogeno è sui 10^-12 metri, stiamo parlando di dimensioni un milione di volte più piccole), che ovviamente sono difficilissime da distinguere con un sottofondo di rumore altissimo: raggi cosmici, rumore termico rendono questo lavoro un'impresa titanica.

In particolare il segnale che ha definitivamente confermato l'esistenza diretta delle onde l'11 Febbraio 2016 "arriva da due grandi buchi neri che, circa 1,3 miliardi di anni fa, dopo aver ruotato spiralizzando l’uno attorno all’altro, si sono fusi in un unico grande buco nero." (Fulvio Ricci, fisico dell’esperimento Virgo).

E' questo, a mio avviso, il più grande risultato. Non abbiamo scoperto le onde, loro esistono coerentemente con la teoria di Einstein da più di cento anni. Ma le abbiamo osservate, e per fare questo abbiamo affinato delle tecniche che porteranno benefici in tutti i campi, dalla medicina (dove i laser diventano sempre più importanti) alla biologia, senza parlare dell'infinità di ricerche sull'origine dell'universo che saranno possibili, ora o tra cento anni non importa.

Quindi no, "non abbiamo portato la pace nel mondo" e "non abbiamo risolto il problema della fame", ma se permetti Billy i fisici fanno i fisici, non posso dire lo stesso dei politicanti. Se tutti ci impegnassimo nei rispettivi settori con la passione che ha mosso queste persone a raccogliere questi infinitesimi segnali dallo spazio profondo vivremmo in un pianeta migliore.

Giusto per essere puntigliosi e per utilizzare un po' di plurale maiestatis, in un colpo solo abbiamo provato l'esistenza delle onde gravitazionali, confermato sperimentalmente l'esistenza dei sistemi binari di buchi neri, confermato che i buchi neri possono fondersi e ottenuto la prova dell'esistenza dei buchi neri rotanti. Così, giusto per dire.

Vi lascio con questo video che spiega, con immagini colori e suoni, un po' tutto quello che ci siamo detti, magari anche meglio.